2010 Mart Sayısı Derginin Tümü - Sigma Dergisi

Transkript

The owner, on the behalf of Yıldız Technical University /
Yıldız Teknik Üniversitesi adına, Sahibi
Prof.Dr. İsmail YÜKSEK
Editör / Editor
Haluk GÖRGÜN
Yayın Kurulu / Editorial Board
Sabri ALTINTAŞ (Boğaziçi Ün.)
Salih DİNÇER (Y.T.Ü.)
Avadis Simon HACİNLİYAN (Yeditepe Ün.)
Olcay KINCAY (Y.T.Ü.)
Levent OVACIK (İ.T.Ü.)
Kutay ÖZAYDIN (Y.T.Ü.)
Tülay ÖZBELGE (O.D.T.Ü.)
Bülent SANKUR (Boğaziçi Ün.)
Zerrin ŞENTÜRK (İ.T.Ü.)
Galip G. TEPEHAN (Kadir Has Ün.)
Canbolat UÇAK (Yeditepe Ün.)
Hilmi ÜNLÜ (İ.T.Ü.)
Editör Sekreteri / Editorial Secretary
Şenol BİLGİN
Yazılım / Software
Yavuz EREN
Sigma Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, Mart Haziran, Eylül ve Aralık
aylarında yayınlanır.
Sigma Journal of Engineering and Natural Sciences is published in March, June, September
and December.
Makaleler ve yazışmalar için adres:
Address for the manuscripts and correspondence:
Sigma Dergisi Editörlüğü
Yıldız Teknik Üniversitesi Yerleşkesi 34349 Yıldız-İSTANBUL
Tel: 0212 259 21 53 Dahili: 16 Belgeç: 0212 227 67 49
Tel: 0212 383 31 40 Dahili: 16
e-ileti/e-mail: [email protected]
http://www.sigma.yildiz.edu.tr
ISSN: 1304-7191
Kapak Tasarımı
Emrah GÜNAY, Altay ATASU
Bu dergi Yıldız Teknik Üniversitesi Matbaa’sında basılmıştır.
34349, Yıldız-İSTANBUL
İstanbul 2010
BU SAYININ BİLİMSEL HAKEMLERİ
Referees for this issue
Ayşe OGAN (Marmara Ün.)
Kemal BARIŞ (Karaelmas Ün.)
Bülent KESKİNLER (G.Y.T.E.)
Mustafa ZORBOZAN (Y.T.Ü.)
Cengiz KAHRAMAN (İ.T.Ü.)
Nahit KUMBASAR (İ.T.Ü.)
Dilek ÇALGAN (Boğaziçi Ün.)
Necati ECEVİT (G.Y.T.E.)
Erdal BAYRAMLI (O.D.T.Ü.)
Neşet KADIRGAN (Marmara Ün.)
Esen BOLAT (Y.T.Ü.)
Oktay VELİEV (Doğuş Ün.)
Etibar PENAHLI (Fırat Ün.)
Refiye YANARDAĞ (İstanbul Ün.)
Göknur BAYRAM (O.D.T.Ü.)
Sait KIZGUT (Karaelmas Ün.)
Güngör GÜNDÜZ (O.D.T.Ü.)
Salih DİNÇER (Y.T.Ü.)
Hasan GÜMRAL (Yeditepe Ün.)
Suna BALCI (Gazi Ün.)
Hüseyin BAŞLIGİL (Y.T.Ü.)
Vasif N. NABİYEV (K.T.Ü.)
İffet YAKAR ELBEYLİ (Tübitak-Mam)
Vedat DİDARİ (Karaelmas Ün.)
Zekai CELEP (İ.T.Ü.)
II
SIGMA
Cilt/Volume 28
Sayı/Issue 1
İÇİNDEKİLER
Contents
Research Articles/Araştırma Makaleleri
Mehmet KILIÇ, Rıza DEMİRBİLEK
1
The Assistance of the Numeric Calculations for Estimation of Required Parameters
of Photorefractive Crystals for Two Center Holographic Recording
Fotokırıcı Kristalerde Çift Merkeze Dayalı Holografik Kayıt için Gerekli olan
Kristal Parametrelerinin Elde Edilmesinde Nümerik Hesap Yardımı
Neşe ATACI, İnci ARISAN
9
Using Aqueous Two-Phase System Combined with Isopropanol Precipitation for
Isolation of Plasmid DNA from Alkaline Lysate
Plasmid DNA'nın Alkali Lizat'tan İzole Edilmesinde İki Fazlı Sulu Sistem ile
İsopropanol Çöktürme Yönteminin Birleştirilerek Kullanımının İncelenmesi
Fatma AYDIN AKGÜN
15
Green’s Function of Discontinuos Boundary Value Problem with Eigenparameter in
Boundary Conditions
Sınır Koşulunda Öz Parametre Bulunan Süreksiz Sınır Değer Probleminin Green
Fonksiyonu
Seyfullah KEYF
26
Investigation of Penetration and Penetration Index in Bitumen Modified with SBS
and Reactive Terpolymer
SBS ve Reaktif Terpolimer ile Modifiye Edilmiş Bitümde Penetrasyon ve
Penetrasyon İndeksinin İncelenmesi
III
Yeşim YAYLA, Aytaç YILDIZ, Birol AKYÜZ
35
Use of Proactive and Reactive Product Development Strategies in Enterprises
Applying Concurrent Engineering Approach: a Field Survey in Turkish Ceramic
Sector
Eş Zamanlı Mühendislik Yaklaşımını Uygulayan Firmalarda Proaktif ve Reaktif
Ürün Geliştirme Stratejilerinin Kullanımı: Seramik Sektöründe Bir Saha
Araştırması
Review Paper/Derleme Makalesi
İzzet KARAKURT, Gökhan AYDIN, Kerim AYDINER
49
Mitigation and Utilization Technologies of Low Concentration Methane in Mine
Ventilation Air
Ocak Havasındaki Düşük Konsantrasyonlu Metanın Azaltım ve Kullanım
Teknolojileri
IV
Bilime katkı sağlamak amacıyla üniversitemiz 1983 yılından beri önce
Yıldız Teknik Üniversitesi Dergisi sonra Sigma Mühendislik ve Fen
Bilimleri Dergisi adı altında yayın faaliyetlerini nitelikli olarak
sürdürmektedir. Sigma Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi ulusal
hakemli bir dergi olup periyodik olarak, Mart, Haziran, Eylül ve Aralık
aylarında olmak üzere yılda dört kez yayınlanmaktadır. Dergimizde
ağırlıklı olarak bilimsel araştırma makaleleri ve bilimsel derlemeler
yayınlanmaktadır.
Sigma Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi editörlük görevine Mart
2010 itibari ile başladığımı sizlerle paylaşmak isterim. Bu vesile ile 1983
yılından beri üniversitemizin dergisine emeği geçen editörlerimiz Sayın
Prof.Dr. Nihat Kınıkoğlu ve Sayın Doç.Dr. Hikmet Yükselici’ye,
kıymetli yayın kurulu üyelerimize, gelen makaleleri inceleyen değerli
hakemlerimize, editör sekreterimize ve yazılım sorumlumuza içtenlikle
teşekkür ederim. Editör olarak bundan sonra Sigma Mühendislik ve Fen
Bilimleri Dergisi’nin daha çok makale alan ve yayınlayan, kısa sürede
gelen makalelerin değerlendirildiği, ulusal ve uluslararası indekslerce
taranan ve ağrılıklı olarak elektronik iletişim içinde olan bir dergi
olabilmesi için emek sarf edeceğimi belirtmek isterim.
Dergimize ve bilime katkıları olan değerli zamanlarından fedakârlık
yapan tüm bilim insanlarına teşekkür eder, araştırmalarında ve bilimsel
çalışmalarında başarılar dilerim.
Saygılarımla,
Doç.Dr. Haluk Görgün
Editör
V
Bu sayfa boş bırakılmıştır.
VI
Journal of Engineering and Natural Sciences
Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi
Sigma 28,
1-8,
2010
Research Article / Araştırma Makalesi
THE ASSISTANCE OF THE NUMERIC CALCULATIONS FOR ESTIMATION
OF REQUIRED PARAMETERS OF PHOTOREFRACTIVE CRYSTALS FOR
TWO CENTER HOLOGRAPHIC RECORDING
Mehmet KILIÇ, Rıza DEMİRBİLEK*
Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü, Esenler-İSTANBUL
Received/Geliş: 08.07.2009 Revised/Düzeltme: 08.01.2010 Accepted/Kabul: 18.02.2010
ABSTRACT
The dependence of the diffraction efficiency of LiNbO3 for two center holographic recording (TCHR) on time
calculated by implemented computer program is compared with those obtained from the previous
experimental results. The applicability of this method to other photorefractive crystals was shown in the
Strontium Barium Niobat (SBN) sample. It is assumed that with the assistance of this program some unknown
parameters of the photorefractive crystals can be determined by means of fitting the experimental results for
TCHR.
Keywords: Two center holographic recording, LiNbO3, SBN.
PACS numbers/numaraları: 42.70.Ln, 42.40.Lx, 42.40.Ht.
FOTOKIRICI KRİSTALERDE ÇİFT MERKEZE DAYALI HOLOGRAFİK KAYIT İÇİN GEREKLİ
OLAN KRİSTAL PARAMETRELERİNİN ELDE EDİLMESİNDE NÜMERİK HESAP YARDIMI
ÖZET
Lityum Niobat (LiNbO3) kristalinin çift merkeze dayalı holografik kayıt (ÇMHK) yönteminde kırınım
verimliliğinin zamana bağlı değişimi, hazırlanan bir program aracılığıyla sayısal olarak hesaplanıp daha önce
yapılmış deneysel sonuçlarla karşılaştırma yapılmıştır. Bu yöntemin diğer fotokırıcı kristallere de
uygulanabileceği Stronsiyum Barium Niobat (SBN) örneğinde görülmüştür. Bu program kullanılarak, foto
kırıcı kristallerin bilinmeyen bazı parametrelerinin, ölçülmüş deneysel sonuçlarla uyumlandırılması ile
belirlenebileceği öngörülmektedir.
Anahtar Sözcükler: Çift merkeze dayalı holografik kayıt, LiNbO3, SBN.
1. GİRİŞ
Optik bilgi depolama yöntemlerinden biri olan holografik bilgi depolama, küçük hacimli kayıt
malzemesine büyük miktarda bilgi kaydının yapılabilmesi, hızlı veri transferi, kaydedilmiş olan
bilginin uzun süre saklanabilmesi gibi avantajlarından dolayı birçok araştırmanın konusu
olmuştur. [1-7]. Ancak kaydedilmiş bir hologramdan bilgi okunurken, hologramın homojen
referans ışığı ile aydınlatılması gerekliliği, kaydedilmiş bilginin silinmesi problemini ortaya
çıkarır. Bu problemin aşılmasında bazı yöntemler geliştirilmiştir. Termal sabitleme [8], elektriksel
*
Corresponding Author/Sorumlu Yazar: e-mail/e-ileti: [email protected], tel: (212) 383 42 86
1
M. Kılıç, R. Demirbilek
Sigma 28, 1-8, 2010
sabitleme [9], iki adımlı kayıt ve çift merkeze dayalı holografik kayıt [2,3] bunlardan
başlıcalarıdır.
Çift merkeze dayalı holografik kayıt yönteminde, elektronlar UV ışık (yüksek enerjili
foton) yardımı ile derin seviyelerden iletkenlik bandına ve buradan sığ seviyelere dağılır. Kırmızı
(düşük enerjili foton) kayıt ışığı kullanılarak sığ seviyede bulunan bu elektronlarla her iki seviyeyi
(derin ve sığ) kapsayan hologram kaydı yapılır (Şekil 1). Daha sonra kırmızı ışık ile okuma
yapıldığında derin seviyeler etkilenmeyeceği için kaydedilen sinyalin bir kısmı silinmeden
kalacaktır. Böylece holografik olarak kaydedilmiş bilgi istenildiği kadar kaybolmadan
kullanılacaktır.
IB
hνkayıt
hνduyar.
hνduyar.
S
D
DB
Şekil 1. IB, iletkenlik bandı; DB, değerlik bandı; D, derin seviyeler (örn. LiNbO3:Mn2+/3+);
S, sığ seviyeler (örn. LiNbO3:Fe2+/3+).
ÇMHK yöntemi, çift iyon katkılı LiNbO3 kristali için deneysel olarak Adibi ve
arkadaşları [3] tarafından başarı ile gerçekleştirilmiştir. Adı geçen araştırmacılar, deneysel
gözlemler ve nümerik hesap yardımıyla Fe ve Mn katkılı LiNbO3 kristalinin bilinmeyen
parametrelerinin hesabını yaparak bu kristalde ÇMHK işleminin, katkı iyonlarının
konsantrasyonuna, tavlamaya ve duyarlılaştırma dalga boyuna bağlılığını incelemişler ve gerekli
optimizasyon işlemlerini yapmışlardır [3].
SBN kristalinin elektrooptik katsayı değerinin büyük olması nedeniyle fotokırıcılığı,
LiNbO3 kristaline göre daha yüksektir (r13,LN=10,9x10-12 m/V, r13,SBN=47x10-12 m/V). Bu nedenle,
ÇMHK yöntemi için SBN kristalinde daha hızlı kayıt yapılabileceği düşünülerek, Demirbilek ve
arkadaşları tarafından bu kristal incelenmiş, ancak LiNbO3 kristalindeki gibi bir sonuç
alınamamıştır [10].
Bir kristalde ÇMHK yönteminin hangi koşullarda işleyebileceğinin anlaşılması, bu
yöntemde hangi parametrelerin ne kadar rol oynadığının bilinmesi ile cevaplanabilir. Bunu test
etmenin yollarından biri, dikkate alınan kristal için benzeşim yaparak parametrelerin değişimine
bağlılığını incelemektir.
Bu çalışmada ÇMHK yönteminin denklem sistemi gözden geçirilmiş ve bu yöntemde
fotokırıcı kristaller için nümerik sonuçlar verebilecek bir matlab® kodlaması hazırlanmıştır.
Hazırlanan kodlamanın doğru çalıştığı Fe ve Mn katkılı LiNbO3 kristalinin deneysel sonuçları ile
karşılaştırılarak kontrol edilmiş ve bunun diğer fotokırıcı kristallere uygulanabileceği SBN
örneğinde gösterilmiştir.
2
The Assistance of the Numeric Calculations for …
Sigma 28, 1-8, 2010
2. YÖNTEM
ÇMHK yönteminin kuramsal modellemesinde, iletim bandındaki elektron yoğunluğu, derin ve sığ
seviyelerdeki elektron yoğunluğu, akım yoğunluğu ve elektrik alan, bilinmesi gereken
parametreler olarak sıralanabilir. Bu parametrelerin elde edilmesi için aşağıda sıralanan
eşitliklerin [3] nümerik olarak çözülmesi gerekmektedir.
∂N D−
= − ⎡⎣ qD , K sD , K I K + qD ,UV sD ,UV IUV ⎤⎦ N D− + γ D n ( N D − N D− )
∂t
(1)
∂N S−
= − ⎡⎣ qS , K sS , K I K + qS ,UV sS ,UV IUV ⎤⎦ N S− + γ S n ( N S − N S− )
∂t
(2)
⎛ dN − dN D− dn ⎞
∂j
= −e ⎜ D +
+ ⎟
∂x
dt
dt ⎠
⎝ dt
(3)
j = eμ nE + k BT μ
∂n
+ (κ S , K I K + κ S ,UV IUV ) N S− + (κ D , K I K + κ D ,UV IUV ) N D−
∂x
∂E
ρ
e
=
=−
( N S− + N D− + n − N A )
∂x εε o
εε o
(4)
(5)
Burada ilk iki eşitlik derin (D) ve sığ( S) seviyeler için oran denklemleridir. (1)
denkleminde ilk ifadede, ND− D2+ konsantrasyonu, IK ve IUV sırasıyla kullanılan kırmızı ve UV
ışığın şiddetleri, qD,KsD,K ve qD,UVsD,UV kırmızı ve UV ışığı altında D2+ için foton soğurma ve
elektronların D2+ seviyesinden iletkenlik bandına uyarılma etki kesiti olmak üzere derin seviyeli
tuzaktan çıkan elektron sayısını göstermektedir. (1) denklemindeki ikinci ifadede ise, γD elektron
rekombinasyon katsayısı, n iletkenlik bandındaki serbest elektron yoğunluğu ve ND toplam D
konsantrasyonu olmak üzere derin seviyeli tuzağa giren elektron sayısını göstermektedir. Benzer
ifadeler (2) denkleminde sığ seviyeli durumlar için kullanılmıştır. Üçüncü eşitlik akım süreklilik
denklemi, dördüncü eşitlik sırasıyla sürüklenme, difüzyon ve hacimsel fotovoltaik akımlarının
toplamından oluşan akım denklemidir. Ayrıca, µ elektron mobilitesini, E elektrik alanını, kB
Boltzmann sabitini, T sıcaklığı ve κ sığ ve derin seviyeler için kırmızı ve UV ışık altındaki
hacimsel fotovoltaik katsayısını göstermektedir. (5) numaralı eşitlik ise yük yoğunluğu ile elektrik
alan ilişkisini betimleyen Poisson denklemidir.
Sistemi oluşturan bu kısmi diferansiyel denklemler (Denk.1-5), hem konumun hem de
zamanın fonksiyonudurlar. Bu haliyle çözümü zor olan bu denklemlerin çözümünü
kolaylaştırmak amacıyla bazı yaklaşımlar yapılmıştır. Öncelikle duyarlılaştırma ışığı şiddetinin
homojen olması, kayıt ışığı şiddetinin ise bir boyutlu sinüssel bir değişime sahip olması deneysel
koşullarla sağlanır, dolayısıyla hesaplamalarda bu şekilde ele alınabilir.
I k = I k ,0 (1 + m cos ( Kx ) )
(6)
Bu denklemde K, kayıt deseni örgüsü vektörünün büyüklüğü, m ise kayıt şiddet
deseninin modülasyon derinliğidir.
Bu denklem sistemi her bir giriş setine karşılık bir çıktı seti verir. Böyle bir sistem için
periyodik bir girdi seti aynı periyotlu bir çıktı seti verecektir [11, 3].
Bu özelliği ile bu karmaşık denklem sistemi, Foruier dönüşümü yapılarak çözümü
kolaylaştırma yoluna gidilmiştir [11].
Bu amaçla her bir değişken için fourier açılımının ilk iki terimi (sıfırıncı ve birinci
mertebe terimler) kullanılarak bu denklemeler yeniden yazılır. Örnek olarak elektrik alan
denkleminin fourier dönüşümü aşağıdaki gibi (7) olur:
3
Sigma 28, 1-8, 2010
E = E0 + E1 exp ( iKx )
(7)
Böylece, kuramsal modeli oluşturan 5 adet kısmi diferansiyel denklem sistemi, 5 adet
sıfırıncı ve 5 adet birinci mertebe olmak üzere toplam 10 adet adi diferansiyel denkleme
dönüştürülür [11]. Bu aşamadan sonra çözüme varabilmek için adiabatik yaklaşım [3]
(∂n/∂t=∂n0/∂t=∂n1/∂t=0) yapılır ve n<< ND−, NS−, NA olarak kabul edilir [3].
Şimdiye kadar literatürde çıkmış çalışmalarda, LiNbO3 kristali için elektron taşıma
parametrelerinden difüzyon alanının, güçlü hacimsel fotovoltaik alan karşısında [12, 3], SBN
kristalinde ise hacimsel fotovoltaik alanın difüzyon alanı karşısında holografik kayıtta ihmal
edilebileceği [13, 14] belirtilmiştir. Bu çalışmada, tüm foto kırıcı kristallerde parametre rollerini
herhangi bir kısıtlama yapmadan araştırabilme amacıyla bu ihmaller yapılmamıştır.
Yukarıda değinilen fourier dönüşümü ve adiabatik yaklaşım sonucu elde edilen
denklem sistemi, bilgisayar ortamında sayısal olarak hesaplanacak şekilde kodlanmıştır. Şekil
2’de bu kodlama şematik olarak gösterilmiştir.
Değişkenlerin Fourier Serisi Açılımından Elde
Edilen Eşitlikler
ode45* çekirdeği
Matlab Programı
Farklı Parametreler için
Nümerik Çözümler
E1
Δn
Denk. 8
Denk. 9
Kırınım verimliliği
η
Şekil 2. Yapılan hesaplamanın akış diyagramı
2.1. Holografik Ölçüm Düzeneği ve Kırınım Verimliliğinin Belirlenmesi
Holografik kayıtta kristalde girişim desenlerine bağlı olarak periyodik elektron yoğunluğu oluşur.
Bu periyodik elektron yoğunluğuna bağlı yerel elektrik alanı periyodik kırılma indisi değişimine
neden olur. Söz konusu bu kırılma indisi değişimi elektrik alanına Denk.8 bağıntısı ile bağlıdır.
Δn = −
nef3
2
ref E1
(8)
Kristalde oluşturulan periyodik kırılma indisi deseni, kristale düşürülen bir ışık demetini
kırınıma uğratır (Şekil 3). Bu kırınımın ölçüsü Kogelnik [15] bağıntısı ile kırılma indisi
değişimine bağlıdır (Denk. 9).
4
Sigma 28, 1-8, 2010
⎡ πΔnL ⎤
⎥
⎣ λ cos θ ⎦
η = sin 2 ⎢
(9)
Burada η, kırınım verimliliği olmak üzere L, λ ve θ sırasıyla numune kalınlığı, kayıt
ışığının dalga boyu ve kayıt ışığının geliş açısıdır (Şekil 3). Kırınım verimliliği, deneysel olarak
numuneye düşürülen (λR) referans ışığının kırınıma uğrayan kısmının şiddetinin numuneden
geçen ışığın şiddetine oranlanması ile belirlenir.
Numune tutucu λR Detektör θ λK Detektör Numune L, Δn
Şekil 3. Holografik kayıtta kayıt geometrisi. λK kayıt ışığı dalga boyu, λR referans ışığı dalga boyu
3. SONUÇ VE ÇIKARIMLAR
İlk olarak Fe ve Mn katkılı LiNbO3 kristali için sayısal hesap yapılmıştır. Hesaplamada kullanılan
parametreler, Adibi ve arkadaşları tarafından Fe ve Mn katkılı LiNbO3 kristali için yaptıkları
çalışmadan alınmıştır [3]. Fe ve Mn katkılı LiNbO3 için, bu çalışmada yapılan hesaplarla elde
edilen kırınım verimliliğinin zamana göre değişimi, deneysel sonuçlarla [3, 10] uyumlu olduğu
açık bir biçimde görülmektedir (Şekil 4).
LiNbO3:Fe:Mn
0,10
deneysel
hesap
η, kirinim verimliligi
0,08
0,06
0,04
KAYIT
0,02
OKUMA
0,00
0
5000
10000
15000
20000
25000
zaman, s
Şekil 4. LiNbO3:Fe:Mn kristalinde çift merkeze dayalı holografik kayıt ve okuma. Burada kesikli
çizgi deneysel [3], düz çizgi ise nümerik hesap sonucu elde edilen sonuçlardır. Her iki durumda
da kaydedilmiş olan bilginin yaklaşık %55-60 lık kısmının okuma esnasında silindiği (kalan
sinyalin %40-45 civarında olduğu) görülmektedir.
5
Sigma 28, 1-8, 2010
LiNbO3 kristali için yapılan nümerik hesap, SBN kristali için de yapılmıştır. SBN
kristali için yapılan hesaplamalarda gerekli olan parametrelerden mobilite [16], kırılma indisi
[17], dielektrik katsayı [16], elektrooptik katsayı [18] değerleri belirtilen kaynaklardan alınmıştır
(Çizelge 1).
Çizelge 1. SBN kristali için yapılan hesaplamalarda kullanılan bazı kristal parametreleri
Parametre
µ, elektron mobilitesi (m2/Vs)
n0, kırılma indisi
ε, dielektrik katsayı
r, elektrooptik katsayı (m/V)
Değer
2,7x10-6
2,33
880
47x10-12
Kaynak
[16]
[17]
[16]
[18]
Yapılan test hesaplarında hacimsel fotovoltaik alanın kırınım verimliliğine etkisinin az
olması ve difüzyon etkisine göre ihmal edilebilir olması göz önünde bulundurularak 10-34 m3/V
civarında (LiNbO3 kristaline göre yaklaşık 2 mertebe daha küçük[13, 14]) alınmıştır.
Literatürde, tek katkılı SBN (Ce:SBN) için rekombinasyon katsayısı deneysel
sonuçlardan yararlanılarak 10-16 m3/s olarak belirlenmiştir [16]. Bu değer dikkate alınarak yapılan
hesaplamaların eldeki deneysel sonuçlarla [10] uyumluluğu test edilerek en uygun rekombinasyon
katsayısı değerlerinin sığ seviyeler için 10-17 m3/s ve derin seviyeler için 10-16 m3/s olması
gerektiği görülmüştür.
SBN:Fe:Mn
η, kirinim verimliligi
0,004
deneysel
hesap
0,003
OKUMA
KAYIT
0,002
0,001
0,000
0
500
1000
1500
zaman, s
Şekil 5. SBN:Fe:Mn kristalinde çift merkeze dayalı holografik kayıt ve okuma. Burada kesikli
çizgi deneysel [10], düz çizgi ise nümerik hesap sonucu elde edilen sonuçlardır. Her iki durumda
da kaydedilmiş olan bilginin tamamına yakınının okuma esnasında silindiği görülmektedir.
Fe ve Mn katkılı SBN için hesaplanan kırınım verimliliğinin zamana göre değişimi
deneysel sonuçlarla[10] uyumlu olduğu görülmektedir (Şekil 5).
Geliştirilen bu programla yapılan hesapların deneysel sonuçlarla uyumluluğu açıkça
görülmektedir. En azından ölçümleri alınmış LiNbO3 ve SBN için bu böyledir. Bununla, diğer
foto kırıcı kristallerin holografide gerekli olabilecek parametrelerin, basit holografik ölçümlerin
geliştirilen model hesabı ile uyumlandırılması sonucu elde edilebileceği söylenebilir. Şimdiye
kadar yapılmış bazı ön testler ve Şekil 5’deki uyumlama işlemi ile bir kristalde ÇMHK’nın
6
Sigma 28, 1-8, 2010
olabilmesinde, rekombinasyon katsayısının önemli rol oynadığı görülmektedir. Bu ve benzeri
bağlılıkların araştırılması planlanmıştır.
Teşekkür
SBN kristalinde ÇMHK araştırmalarının başlamasını sağlamasından dolayı sayın Prof. Sigmar E.
Kapphan’a, SBN kristalinde hacimsel fotovoltaik etki konusundaki katkılarından dolayı sayın
Prof. Eckart Kraetzig’e ve kodlamanın ilk aşamasında yardımcı olan fizikçi Hannu Wicterich’e
teşekkür ederiz.
REFERENCES / KAYNAKLAR
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
Ashley, J., Bernal, M.P., Burr, G. W., Coufal, H., Guenther, H., Hoffnagle, J.A.,
Jefferson, C. M., Marcus, B., Macfarlane, R.M., Shelby, R.M., Sincerbox, “Holographic
data storage”, G.T., IBM J. Res. Develop. 44, 3, 341-368, 2000.
Buse K., Adibi A. and Psaltis, D., “Non-Volatile Holographic Storage in Doubly-Doped
Lithium Niobate”, Nature 393, 665-668, 1998.
Adibi, A., Buse, K., and Psaltis, D., “Two-center holographic recording”, J. Opt. Soc.
Am. B, 18, 5, 584-601, 2001.
Shen, Y., Zhang, G., Qingjun, B.F., Xu, J., “Theoretical studies on nonvolatile two-step,
two-color holographic recordingsensitivity for LiNbO3:Fe”, Optics Communications 256,
24-34, 2005.
Ren, L., Liu, L., Liu, D., Zhou, C., Li, G., “Experimental and theoretical study of nonvolatile photorefractive holograms in doubly doped LiNbO3:Fe:Cu”, Optical Materials
23, 261-267, 2003.
Lee M., Takekawa, S., Furukawa, Y., Kitamura, K., Hatano, H., “Nonvolatile and quasinonvolatile holographic recording in near-stoichiometric litfium niobate doubly doped
with Tb and Fe”, Optical Materials 18, 53-56, 2001.
Ren, L., Liu, L., Liu, D., Yao, B., “Dynamic characteristics of holographic recording and
fixing in LiNbO3:Ce:Cu crystal”, Optics Communications 238, 363-369, 2004.
Amodei, J.J., and Steabler, D.L., “Holographic Pattern Fixing in Electro-optic Crystals”,
Appl. Phys. Lett. 18, 12, 540-542, 1971.
Micheron, F. and Bismuth, G., “Electrical Control of Fixation of Holographic Patterns in
Ferroelectric Materials”, Appl. Phys. Lett. 20, 2, 79-81, 1972.
Demirbilek, R., Kapphan, S.E., Kutsenko, A.B. and Pankrath, R., “Investigation of twocenter holographic recording in SBN:Ce:Cr and SBN:Mn:Fe”, Phys. stat. sol. 2, 1, 653656, 2005.
Kukhtarev, N.V., “Kinetics of hologram recording and erasure in electrooptics crystals”,
Sov. Tech. Phys. Lett., 2, 12, 438-440, 1976.
Glass, A.M., Von der Linde, D., Negran, T.J., “High-voltage bulk photovoltaic effect and
the photorefractive process in LiNbO3”, Applied Physics Letters, 25, 4, 233-235, 1974.
Simon, M., Buse, K., Pankrath, R., Krätzig, E., Freschi, A.A., “Photoconductivity of
Photorefractive Sr0.61Ba0.39Nb2O6:Ce Crystals at High Light Intensities”, J. Appl. Phys.,
80, 251-255, 1996.
Buse, K., Stevendaal, U.V., Pankrath, R., Krätzig, E., “Light-Induced Charge Transport
Properties of Sr0.61Ba0.39Nb2O6:Ce Crystals”, J. Opt. Soc.Am. B, 13, 1461-1467, 1996.
Kogelnik, H., “Coupled wave theory for thick hologram gratings”, Bell Syst. Tech. J., 48,
2909-2947, 1969.
Buse, K., Gerwens, A., Wevering, S. and Krätzig, E., “Charge Transport Parameters of
Photorefractive Strontium-Barium Niobate Crystals Doped with Cerium”, J. Opt. Soc.
Am.B, 15, 6, 1674-1677, 1998.
7
[17]
[18]
Sigma 28, 1-8, 2010
Fujimura, R., Kubato, E., Matoba, O., Shimura, T., Kuroda, K., “Photorefractive and
photochromic properties of Ru doped Sr0.61Ba0.39Nb2O6 crystal”, Optics Communications
213, 373-378, 2002
Dörfler, U.B., Piechatzag R., Woike, Th., Imlau, M.K., Wirth, V., Bohaty, L., Volk, T.,
Pankrath, R., Wöhlecke, M., “A holographic method for the determination of all linear
electrooptic coefficients applied to Ce-doped strontium-barium-niobate”, Appl. Phys. B,
68, 843-848, 1999.
8
Sigma 28,
9-14,
2010
USING
AQUEOUS
TWO-PHASE
SYSTEM
COMBINED
WITH
ISOPROPANOL PRECIPITATION FOR ISOLATION OF PLASMID DNA
FROM ALKALINE LYSATE
Neşe ATACI*, İnci ARISAN
Yildiz Technical University, Science & Art Faculty, Chemistry Department, Davutpasa Campus,
Esenler-ISTANBUL
ABSTRACT
This work presents a study of the partitioning of a plasmid from alkaline lysate in polyethylene glycol (PEG) /
ammonium sulfate aqueous two-phase system (ATPS). The aqueous two-phase extraction system was
prepared with a 35 % w/w PEG 600, 6 % w/w ammonium sulfate and 20 % w/w of lysate load. The
performance of this process was determined by qualitative assays. Qualitative analysis was realized by using 1
% of agarose gel electrophoresis. PEG 600 (35% w/w) - (NH4)2SO4 (6% w/w) system recovered total amount
of plasmid with small amount of RNA in bottom phase. In addition, the bottom phase of the system was
integrated with 2-propanol precipitation step. Plasmid yield and RNA profile were observed for the use of
different 2-propanol concentrations. Finally, maximized plasmid yield was obtained at 0,7 (v/v) 2-propanol
concentration. In higher concentrations than 2-propanol of 0,7 (v/v) plasmid yields were decreased, and in this
case plasmid was removed together with RNA in supernatant.
Keywords: Plasmid DNA, plasmid isolation, aqueous two phase systems, gene therapy, 2-propanol
precipitation.
PLASMİD DNA'NIN ALKALİ LİZAT'TAN İZOLE EDİLMESİNDE İKİ FAZLI SULU SİSTEM İLE
İSOPROPANOL
ÇÖKTÜRME
YÖNTEMİNİN
BİRLEŞTİRİLEREK
KULLANIMININ
İNCELENMESİ
ÖZET
Bu çalışmada plazmid DNA’nın alkali lizat örneğinden polietilen glikol 600 ve amonyum sülfat bileşiminden
oluşan iki fazlı sulu sistemde ayrılması ve bu ortamdan plazmid DNA’nın daha saf olarak elde edilmesi için
2- propanol ile çöktürme yönteminin kullanılması incelendi. Seçilen iki fazlı sulu sistemin bileşimi % 35
w/w PEG 600– % 6 w/w amonyum sülfattır. Kullanılan iki fazlı sulu sisteme uygulanan lizat örneği kütlece
% 20 dir. Elde edilen sonuçlar %1'lik agarose gel elektroforezinden alınan jel örnekleri ile kalitatif olarak
incelendi. PEG 600 (%35 w/w) - (NH4)2SO4 (%6 w/w) bileşiminden oluşan iki fazlı sulu sistemin alt fazından
plazmid DNA’nın yanısıra safsızlık olarak RNA gözlemlendi. Plazmid DNA’nın RNA’dan uzaklaştırılarak
daha saf olarak elde edilmesi için farklı konsantrasyonlarda 2-propropanol ile çöktürme işlemi yapıldı
Sonuç olarak plazmidin veriminin en yüksek olduğu 2-propanol konsantrasyonu 0,7 (v/v) olarak belirlendi.
0,7 (v/v) den daha yüksek 2-propanol konsantrasyonları için plazmid veriminin düştüğü gözlendi.
Anahtar Sözcükler: Plazmid DNA, plazmid izolasyonu, iki fazlı sulu sistemler, gen tedavisi, 2-propanol ile
çöktürme.
*
9
N. Atacı, İ. Arısan
Sigma 28, 9-14, 2010
1. INTRODUCTION
Future developments in molecular therapies such as gene therapy and DNA vaccination have
increased to develop new methods for plasmid purification in the healthcare fields.[1] Gene
therapy and DNA vaccination are performed by introducing nucleic acids into the human cell.
Both viral and non-viral vectors have been used as vehicles to transport genetic materials into the
target cells. However, viral vectors because of toxicity and immunogenicity are regarded less
acceptable. Although non-viral vectors based on plasmid DNA are less effective for transecting
target cells, these agents are better alternatives cause of their safety perspective and easier
produce. Gene therapy and plasmid based vaccines demand methods to produce and purify this
molecule at large scale and pharmaceutical grade [2- 4].
Plasmid production always begins with the culture of transformed Escherichia coli
bacteria followed by an alkaline lysate method to release plasmid from the Escherichia coli cell.
RNAse free alkaline lysis method efficiently removes most of the cell walls, organelles, proteins
and genomic DNA of the bacteria. RNA is leaving as main contaminant together with target
plasmid [5, 6].
Currently used traditional chromatographic process such as anion-exchange and sizeexclusion, have been reported to be very efficient in removing RNA. However, limiting process in
large size molecule, time consuming and costly cleaning procedure have increased the interest to
use new simple low cost alternative methods [6- 8]. As non chromatographic process, aqueous
two-phase systems especially in biotechnology application, is preferred, because high proportion
of water (80-95%) is provided nontoxic environment. Lower viscosity of the phases and high
interfacial contact between phases cause more mass transfer of biological molecule between
phases in a short time. Binodial curve describes the composition and concentration of phase
where phase separation occurs. The system is composed polyethylene glycol enriched top phase /
a second polymer or a salt enriched bottom phase [7, 9].
Here we describe the partitioning of a 6.1 kbp plasmid DNA vector, present in an
Escherichia coli alkaline lysate, in the PEG 600 / ammonium sulfate polymer-salt aqueous two
phase system combined with 2-propanol precipitation for more pure pDNA without RNA
contamination.
1.1. Materials and Methods
Chemicals
PEG 600 was obtained from Sigma. Ammonium sulfate and 2-propanol were from
Merck. The 6050 bp (base pair) ColE1-type plasmid pVAX1/lacZ, designed by Invitrogen
(Carlsbad, CA, USA) for the development of DNA vaccines, was used as a model plasmid. This
vector contains the human cytomegalovirus (CMV) immediate early promoter; the BGH
polyadenylation sequences, a kanamycine resistance gene, a pMB1 origin (pUC-derived), a
multiple cloning site, a T7 promoter/priming site and a reporter (β-galactosidase) gene.
Escherichia coli DH5α from invitrogen was used as the host strain.
Standard Plasmid DNA
The pDNA used as a control was purified using the Qiagen Mega Kit (Qiagen, Hilden,
Germany) and resuspended in TE buffer (10 mMTris-HCl, 1mM EDTA, pH:8) pDNA was
quantitated by UV spectrophotometer and purity was assessed by the ratio 260/280 (Jasco Model
Spectrophotometer, 7850). Purified DNA preparations were pooled and stored a +4 0C until used
in gel electrophoresis as control sample.
Plasmid Production
Escherichia coli cells harboring plasmid pVAX1/lacZ was cultivated overnight (up to a
optical density of approximately 3) in 1000 ml shake flasks containing 250 mL of Luria Bertani
medium (10g/L tryptone, 5 gr/L yeast extract, 5 g/L NaCl) supplemented with 30 µg /mL of
10
Using Aqueous Two-Phase System Combined with …
Sigma 28, 9-14, 2010
kanamycine at 37 0C and 200 rpm. Growth was suspended at late log phase. Cells were stored at 20 0C until further processing with alkaline lysis as described below.
Alkaline Lysis
Cells (250 mL) were harvested by centrifugation at 15.000x g (20 min. 4 0C) and the
pellets suspended in 8 ml of 50 mM glucose, 25 mM Tris-HCl, 10 mM EDTA, pH: 8 (buffer 1)
The cells were lysed by adding and gently mixing (10 min in ice) 8ml of 200 mM NaOH, 1%
(w/v) sodium dodecyl sulfate (buffer 2). The lysate was neutralized with 8 ml of a solution of 3M
potassium acetate, 11.5 % (v/v) glacial acetic acid (10 min on ice) (buffer 3). All buffers were
previously chilled. After neutralization, cell debris, protein and gDNA precipitates were removed
by centrifugation (15.000 x g, 20 min. 4 0C). The second centrifugation at 15.000 g, 20 min. at the
same temperature was performed to further clarify the supernatant. The plasmid containing lysate
was kept at -20 0C until used in ATPS described below [10, 11].
Aqueous two - phase Extraction
ATPS were prepared in 15 ml graduated tube with conical tips by adding distilled water,
ammonium sulphate, PEG 600, Escherichia coli lysate and, up to a total weight of 5 g. The
amount of lysate loaded was 1 g [12]. The components were added in the following order; PEG,
salt, water, lysate. After thoroughly mixing, the mixture was centrifuged for 30 min.15000 g at
40C. Top and bottom phase were isolated and stored at 40C for analysis. Each phase was analyzed
by gel electrophoresis in 1 % agarose gel run with TAE (Tris-Acetate-EDTA) buffer in the
presence of 0.5 µg/mL ethidium bromide.
Cell Culture
Alkaline lysis
ATPS
process
Top phase
ATPS
Bottom phase
Isopropanol pp
Agarose gel
electrophoresis
Precipitation step
Qualitative
analysis
Figure 1. Schematic representation of the pDNA isolation using two step; ATPS and 2-propanol
precipitation
11
Sigma 28, 9-14, 2010
2. RESULTS
Partitioning pDNA in PEG / (NH4)2SO4 Systems
The partitioning and purification of a 6.1 kbp pDNA vector by using ATPS polymersalt system was examined PEG molecular weight of 600 and ammonium sulfate. ATPS
composition is the PEG 600 35 % (w/w) - (NH4)2SO4 6% (w/w). 20 % (w/w) lysate was load to
the ATPS system. Volume of bottom phase is ~ 0.35 mL and top phase is ~ 4.2 mL. PEG 600
molecular weight was directed pDNA to the salt enriched bottom phase. Although RNA having a
similar structure and physical properties as pDNA most of amount of RNA is partitioning in the
top phase of the system as shown in Figure 1. The rest of the RNA together with total plasmid is
in a bottom phase (Line 2, 4, 6 in Fig. 1). According to Joao Carlos and colleagues, plasmid
behaves as being insoluble in the top phase, and accumulates in the salt enriched bottom phase of
the system. Thus, the highest yields are achieved in the bottom phase of the ATPS process.
Minimum contaminations (protein and endotoxines) in the system were obtained by 20 % (w/w)
lysate load. More lysate load could increase both contaminants in pDNA and in the system that
could result a decrease performance of the ATPS systems [12, 13]. The system PEG 600 /
ammonium sulfate composition of 35 and 6% (w/w) respectively, is used to remove most
impurities to the top phase. However it could not partition all RNA from the pDNA.
oc
sc
RNA
Figure 2. Agarose gel analysis of the ATPS [35% (w/w) PEG 600 / 6 %( w/w) (NH4)2SO4]
Lane (2) pure pDNA control; lane (4) bottom phase; lane (6) top phase
oc:open circle form, sc: super coiled form
Effect of 2-propanol Precipitation on Removing RNA from pDNA
Plasmid DNA in bottom phase of the PEG 600 35 %( w/w) - (NH4)2SO4 6% (w/w)
ATPS system was precipitated by using different 2-propanol concentrations. 2-propanol
precipitation mechanisms are depending on reduction of free water molecules which solvate
biomolecules into aqueous solution. Bottom phase of the system is salt rich phase [14]. It means
that the effect of 2-propanol was observed in the presence of ammonium salt. Bottom phase was
12
Using Aqueous Two-Phase System Combined with …
Sigma 28, 9-14, 2010
diluted 0.4 (v/v) and was treated with 2-propanol at 4 0C for 30 min. After precipitation pDNA
and RNA profile were observed on agarose gel (Line 1- 9 in Fig. 2). Various concentrations of 2propanol were used to remove RNA. The precipitation profile obtained (Figure 2) indicated that
2-propanol concentration 0.7 (v/v) is required to maximize plasmid precipitation and also to
achieve plasmid without RNA contamination. It can be seen that from Figure 2, 2-propanol has no
effect on plasmid isoforms distributions. Higher than 2-isopropanol concentration of 0.7 (v/v)
plasmid precipitation yields was decreased and RNA contaminants were remained at supernatant.
When the 2-propanol concentration increased the amount of RNA in supernatant was increased.
Plasmid DNA was found to be remove together with RNA when the 2-propanol concentrations
were 0.8 (v/v), 0.9 (v/v) and 1.0 (v/v).
oc
sc
RNA
Figure 3. Agarose gel analysis of 2-propanol precipitation of 35 %( w/w) PEG 600 / 6 % (w/w)
ammonium sulfate ATPS bottom phase.
Lane1, pure pDNA control; lane2–9, 2-propanol precipitation of bottom phase at 0.7 to
1.0 (v/v); lane2, precipitant sample of bottom phase after 2-propanol precipitation at 0.7 (v/v);
lane3, supernatant sample of bottom phase after 2-propanol precipitation at 0.7 (v/v); lane4, lane5
respectively precipitant, supernatant sample at 0.8 (v/v); lane6, lane7 respectively precipitant,
supernatant sample at 0.9 (v/v); lane8, lane9 respectively precipitant, supernatant sample at 1.0
(v/v). oc: open circle form, sc: super coiled form.
3. DISCUSSION
This work shows that it is possible to use of ATPS system combined with 2-propanol
precipitation to separate RNA from plasmid. 2-propanol concentration of 0.7 (v/v) was
aggregated plasmid more efficiently than RNA. Plasmid was found to be removed together with
RNA in the supernatant in higher 2-propanol concentration than 0.7 (v/v). The simplicity of this
method applying for plasmid DNA isolation and purification can be used as separation step to
obtained pure plasmid in gene therapy and in vaccines or pre-purification step to remove large
percentage of major contaminants, such as RNA.
13
Sigma 28, 9-14, 2010
Acknowledgment
Nese Ataci acknowledges for financial support to an Erasmus grant (222221–IC–1-2003-1-TR
ERASMUS-EUC-1 TR ISTANBUL 07), and the authors also acknowledge to Assoc. Prof. Dr.
Joao Carlos Marcos from the University of Minho (UM), Portugal for him educational guidance.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
Stadler J., Lemmens R., Nyhammar T., “Plasmid DNA Purification”, J .Gene Med., 6, 5466, 2004.
Li S., “Nonviral gene therapy: promises and challenges”, Gene Ther., 7, 31- 34, 2000.
Anderson W.F., “Human gene therapy”, Nature, 392, 25-30, 1998.
Robbins P.D., Tahara H., Ghivizzani S.C., “Viral vector for gene therapy”, TibTech., 16,
35-40, 1998.
Wahlund P.O., Gustavsson P.E., Izumrudov V.A.,et. al., “Precipitation by polycation as
capture step in purification of plasmid DNA from a clarified lysate”, .Biotechnol. Bioeng.,
87, 675-684, 2004.
Tseng W.C., Ho F.L., Fang T.Y., et.al., “Effect of alcohol on purification of plasmid DNA
using ion-exchange membrane”. J. Member Sci., 233, 161-167, 2004.
Ribeiro S.C., Monteiro G.A., Cabral J.M.S.,et. al., “Isolation of plasmid DNA from cell
lysate by aqueous two-phase systems”, Biotechnol. Bioeng., 78, 376-384, 2002.
Frerix A., Müller M., Kula M.R., et.al., “Scalable recovery of plasmid DNA based on
Aqueous two phase separation”, Biotechnol. Appl. Biochem., 42, 57- 66, 2005.
Zaslavsky B.Y., “Aqueos Two-Phase Partitioning”, Marcel Dekker Inc., New York, 1995.
Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T., “Molecular cloning” A laboratory manual, third
edition, CSH Laboratory Press, 1998.
Birnboim H.C., Doly J., “A rapid alkaline extraction procedure for screening recombinant
plasmid DNA”, Nucl. Acids Res., 7, 1513-1523, 1979.
Trindade I.P., Diogo MM., Prazeres D.M.F., et.al., “Purification of plasmid DNAvectors
by aqueous two-phase extraction and hydrophobic interaction chromatography”.
J.Chromatogr.A., 1082, 176-184, 2005.
Duarte S.P., Fortes A.G., Prazeres D.M.F., et.al., “Preparation of plasmid DNA from
alkaline lysate by a two step aqueous two-phase extraction process”. J. Chromatogr. A..,
1164, 105-112, 2007.
Freitas S.S., Santos J.A.L., Prazeres D.M.F., “Optimization of isopropanol and
ammonium sulphate precipitation steps in the purification of plasmid DNA” J.
Biotechnol., 118, 55-62, 2005.
14
Sigma 28,
15-25,
2010
GREEN’S FUNCTION OF DISCONTINUOS BOUNDARY VALUE PROBLEM
WITH EIGENPARAMETER IN BOUNDARY CONDITIONS
Fatma AYDIN AKGÜN*
Yildiz Technical University, Faculty of Chemical-Metallurgy, Department of Mathematical Engineering,
Davutpasa Campus, Esenler-ISTANBUL
ABSTRACT
We constructed Green’s function solution of discontinuous Sturm-Liouville problems with eigenparameter in
boundary conditions.
Keywords: Discontinuous Sturm–Liouville problems, eigenparameter, Green’s function, eigenvalue,
eigenfunction.
MSC numbers/numaraları: 34L20, 35R10.
SINIR KOŞULUNDA ÖZ PARAMETRE BULUNAN SÜREKSİZ SINIR DEĞER PROBLEMİNİN
GREEN FONKSİYONU
ÖZET
Bu makalede sınır koşullarında özparametre bulunan, süreksiz Sturm-Liouville problemleri için Green
fonksiyonu inşa edilmiştir.
Anahtar Sözcükler: Süreksiz Sturm-Liouville problemleri, özparametre, Green fonksiyonu, özdeğer,
özfonksiyon.
1. INTRODUCTION
In this paper, we establish the Green’s function for Sturm-Liouville equation
y '' ( x) + q( x) y ( x) = λy ( x)
-
on the interval
(1.1)
⎡ π ⎞ ⎛π ⎤
⎢0, 2 ⎟ ∪ ⎜ 2 , π ⎥ , with the eigenparameter-dependent boundary conditions
⎣
⎠ ⎝
⎦
λ y (0) + y ' (0) = 0
,
(1.2)
λy (π ) + y ' (π ) = 0
(1.3)
and the transmission conditions
*
[email protected], tel: (212) 383 46 16
15
F. Aydın Akgün
Sigma 28, 15-25, 2010
⎛π
⎞
⎛π
⎞
y ⎜ + 0 ⎟ − δy⎜ − 0 ⎟ = 0 ,
2
2
⎝
⎠
⎝
⎠
(1.4)
⎛π
⎞
⎛π
⎞
y ' ⎜ − 0 ⎟ − δy ' ⎜ + 0 ⎟ = 0 ,
⎝2
⎠
⎝2
⎠
(1.5)
⎡ π ⎞ ⎛π ⎤
q(x) is continuous on ⎢0, ⎟ ∪ ⎜ , π ⎥ having the finite
⎣ 2⎠ ⎝2 ⎦
⎛π
⎛π
⎞
⎞
limits q⎜ + 0 ⎟ = lim q ( x ) and q⎜ − 0 ⎟ = lim q ( x ) , λ is a real eigenparameter
π
⎝2
⎝2
⎠ x→ +0
⎠ x → π −0
where the real valued function
δ ≠0
2
2
is an arbitrary real number.
Many topics in mathematical physics require investigations of eigenvalues and
eigenfunctions of boundary value problems. In spite of the fact that the general theory and
methods of boundary value problems with continuous coefficients are highly developed, very
little is known about a general character of similar problems with discontinuity. Some problems
with transmission conditions which arise in mechanics, such as thermal conduction problems for a
thin laminated plate, were studied in [1].
In recent years, continuous results have been obtained for the boundary value problems
with eigenparameter dependent boundary conditions. Some of these results can be seen in [2, 3, 4,
5, 6, 7, 8]. In particular, [4, 6, 9, 10] contain many references to problems in physics and
mechanics. Some special cases of the problem (1.1)-(1.5) arise from applications of the method of
separation of variables to the varied assortment of physical problems [1, 5, 10]. It must be noted
that asymptotic formulas of eigenvalues and eigenfunctions of this problem are investigated in
[11].
In this paper we will consider eigenparameter dependent boundary conditions and will
extend some results of the standard Sturm-Liouville problems to discontinuous cases. In
particular, we will construct Green’s function for the problem (1.1)-(1.5) using a method
described in [12].
and,
2. SOME BASIC SOLUTIONS ACCORDING TO TRANSMISSION CONDITIONS
We define two fundamental solutions
⎧
⎪⎪ φ1 ( x, λ )
φ ( x, λ ) = ⎨
⎪φ 2 ( x, λ )
⎪⎩
⎡ π⎞
for x ∈ ⎢0, ⎟
⎣ 2⎠
⎛π ⎤
for x ∈ ⎜ , π ⎥
⎝2 ⎦
(2.1)
and
⎧
⎪⎪ χ 1 ( x, λ )
χ ( x, λ ) = ⎨
⎪ χ 2 ( x, λ )
⎪⎩
⎡ π⎞
for x ∈ ⎢0, ⎟
⎣ 2⎠
⎛π ⎤
for x ∈ ⎜ , π ⎥
⎝2 ⎦
(2.2)
of the differential equation (1.1) which satisfy one of the boundary conditions in (1.2), (1.3) and
both of the transmission conditions (1.4), (1.5) as follows.
16
Green’s Function of Discontinuos Boundary Value …
φ1 ( x, λ )
Let
Sigma 28, 15-25, 2010
⎡ π⎞
⎟ , satisfying the initial
⎣ 2⎠
be a solution of the equation (1.1) on ⎢0,
conditions
φ1 (0, λ ) = 1
,
φ1' (0, λ ) = − λ
.
(2.3)
It has been shown in [11] that the solution of (1.1) with (2.3) is unique on
⎡ π⎤
⎢0, 2 ⎥ .
⎣
⎦
⎛π ⎤
⎜ , π ⎥ together with the special type initial
⎝2 ⎦
Now consider the differential equation (1.1) on
conditions
⎛π ⎞
⎛π
⎞
y ⎜ ⎟ = δφ1 ⎜ − 0, λ ⎟ ,
2
2
⎝ ⎠
⎝
⎠
(2.4)
⎞
⎛π ⎞ 1 ⎛π
y ' ⎜ ⎟ = φ1' ⎜ − 0, λ ⎟ .
2
δ
2
⎝
⎠
⎝ ⎠
(2.5)
We will prove that these initial conditions define a unique solution
which is also an entire function of the parameter
the sequence
λ ∈C
y = φ 2 ( x, λ ) ,
⎡π ⎤
, π ⎥ . Consider
⎣2 ⎦
for each fixed x ∈ ⎢
y n ( x, λ ), n = 0,1,2,... defined by the recurrence formula
π ⎞ ⎛π
⎛π
⎞ ⎛
⎞
y n ( x) = φ1 ⎜ − 0, λ ⎟ + ⎜ x − ⎟φ '1 ⎜ − 0, λ ⎟ + (q(t ) − λ ) y n −1 (t , λ )( x − t )dt. (2.6)
2
2
2
⎝
⎠ ⎝
⎠ ⎝
⎠ π
x
∫
2
Let Q =
is
max q( x) . It is obvious that for each positive, real number N > 0 there
⎛π ⎤
x∈⎜ ,π ⎥
⎝2 ⎦
π⎞
⎡π ⎤
⎞⎛
⎛π
K > 0 such that φ1' ⎜ − 0, λ ⎟⎜ x − ⎟ ≤ K for all x ∈ ⎢ , π ⎥ and λ < N .
2
2
⎠
⎝
⎠⎝
⎣2 ⎦
Thus,
2
x
y1 ( x) − y 0 ( x) ≤
∫
π
(Q + N ) K ( x − t )dt =
2
1
π⎞
⎛
(Q + N ) K ⎜ x − ⎟ .
2
2⎠
⎝
(2.7)
By induction, it follows from (2.7) that
x
yn ( x) − y n −1 ( x) ≤ (Q + N )
∫y
π
n −1 (t ,
λ ) − y n −2 (t , λ ) ( x − t ) dt
2
17
for
n = 2,3,.. .
(2.8)
F. Aydın Akgün
Sigma 28, 15-25, 2010
π⎞
n⎛
n +1
K (Q + N ) ⎜ x − ⎟
2⎠
⎝
yn ( x) − y n −1 ( x) ≤
(n + 1)!
for
n = 2,3,.. .
(2.9)
Hence, the series
∞
φ 2 ( x) = y 0 ( x) + ∑ ( y n ( x) − y n −1 ( x) )
(2.10)
n =1
converges uniformly for values of
λ
satisfying
λ ≤ N in
the interval
π
2
< x ≤ π for
n ≥ 2 . Moreover, we can obtain the following equations by differentiating the equation (2.6)
(y
) ∫ (q(t ) − λ )( y
x
'
n
( x) − y ' n −1 ( x) =
n −1 (t ,
π
(y
''
( x) − y
n
''
n −1 ( x )
λ ) − y n − 2 (t , λ ) )dt
,
(2.11)
2
) = ( q ( x ) − λ )( y
n −1 (x,
λ ) − y n − 2 ( x, λ ) )
.
(2.12)
By virtue of (2.9) each of the series
∞
x
∑ ∫ (q(t ) − λ )( y
n −1 (t ,
n =1 π
λ ) − y n − 2 (t , λ ) )dt
2
and
∞
∑ ( q ( x ) − λ )( y
n −1 (x,
λ ) − y n − 2 ( x, λ ) )
n =1
converge uniformly for
λ ≤N
on the interval
⎛π ⎤
⎜ ,π ⎥ .
⎝2 ⎦
Hence, it follows from (2.11) and (2.12) that the differentiated series
∑ (y
∞
'
n −1 (x,
λ ) − y ' n − 2 ( x, λ )
n =1
also converge uniformly in
) and ∑ ( y
∞
''
n −1 (x,
λ ) − y '' n − 2 ( x, λ )
)
n =1
⎛π ⎤
x on the interval ⎜ , π ⎥ . Now taking (2.10) and (2.12) into
⎝2 ⎦
account, we have
18
∞
(
φ 2 '' ( x, λ ) = ∑ y '' n ( x, λ ) − y '' n −1 ( x, λ )
Sigma 28, 15-25, 2010
)
n =1
= (q( x) − λ )
∞
∑ (y
n −1 ( x,
λ ) − y n − 2 ( x, λ ) )
n =1
= (q( x) − λ )φ 2 ( x, λ ).
Thus
φ 2 ( x, λ )
satisfies the differential equation (1.1) on the interval
initial conditions (2.4) and (2.5). Hence, the function
⎛π ⎤
⎜ , π ⎥ and the
⎝2 ⎦
φ ( x, λ ) defined by equation (2.1) satisfies
⎡ π ⎞ ⎛π ⎤
⎟ ∪ ⎜ , π ⎥ , the boundary condition (1.2) and the
⎣ 2⎠ ⎝2 ⎦
the differential equation (1.1) on ⎢0,
transmission conditions (1.4) and (1.5).
We now turn to the unique solution
χ 2 ( x, λ ) of
the equation (1.1) on
⎛π ⎤
⎜ ,π ⎥
⎝2 ⎦
satisfying the initial conditions
χ 2 (π , λ ) = −1 and χ 2' (π , λ ) = λ
(2.13)
λ for fixed x .
χ1 ( x, λ ) will be defined in terms of χ 2 ( x, λ )
which is an entire function of
The function
and by the conditions
⎛π ⎞ 1 ⎛π
⎞
y ⎜ ⎟ = χ 2 ⎜ + 0, λ ⎟ ,
⎝2⎠ δ
⎝2
⎠
(2.14)
⎛π ⎞
⎛π
⎞
y ' ⎜ ⎟ = δχ ' 2 ⎜ + 0, λ ⎟ .
⎝2⎠
⎝2
⎠
(2.15)
φ 2 ( x, λ ) we can prove that the
solution χ1 ( x, λ ) which is also an
Applying the same technique as in the definition of
equation (1.1) with conditions (2.14)-(2.15) has a unique
entire function of
⎡ π⎞
x ∈ ⎢0, ⎟ . Thus χ ( x, λ ) satisfies the differential equation (1.1), the
⎣ 2⎠
⎡ π ⎞ ⎛π ⎤
boundary condition (1.3) and the transmission conditions (1.4) and (1.5) on ⎢0, ⎟ ∪ ⎜ , π ⎥ .
⎣ 2⎠ ⎝2 ⎦
λ
for fixed
The Wronskian
ω i (λ ) = Wλ (φi , χ i ; x) = φi ( x, λ ) χ i' ( x, λ ) − χ i ( x, λ )φi' ( x, λ )
are independent of
(2.16)
x for i = 1,2 and it can easily be shown that
ω1 (λ ) = ω 2 (λ ) = ω (λ ) .
(2.17)
19
F. Aydın Akgün
Sigma 28, 15-25, 2010
Theorem 1: The eigenvalues of the problem (1.1)-(1.5) consist of zeros of the function ω (λ ) .
Theorem can be proved easily by the same technique as for Theorem 1 in [12].
Lemma 1: Let
λ = s 2 .Then the following integral equations hold.
x
1
φ1 ( x) = − Sin sx + Cos sx +
q (τ ) Sin s ( x − τ )φ1 (τ )dτ
s0
∫
(2.18)
1
π ⎞ ⎛π ⎞
π ⎞ ⎛π ⎞ 1
⎛
⎛
Sin s⎜ x − ⎟φ1' ⎜ ⎟ + δCos s⎜ x − ⎟φ1 ⎜ ⎟ +
q (τ ) Sin s ( x − τ )φ 2 (τ )dτ (2.19)
δs
2⎠ ⎝2⎠
2⎠ ⎝2⎠ s 0
⎝
⎝
x
φ 2 ( x) =
∫
Proof: Consider the solution
φ1 ( x, λ )
of the differential equation (1.1)
− φ1' ' ( x) + q( x)φ1 ( x) = s 2φ1 ( x) .
Multiplying both sides by
x
∫
Sin s ( x − τ ) and then integrating we get
x
− φ τ ) Sin s ( x − τ )dτ − s
''
1(
0
for
(2.20)
2
x
∫ φ (τ )Sin s( x − τ )dτ + ∫ q(τ )Sin s( x − τ )φ (τ )dτ = 0
1
1
0
0
⎡ π⎞
x ∈ ⎢0, ⎟ . After integrating by parts twice the first integral and using the conditions in
⎣ 2⎠
(2.3) we obtain
x
φ1 ( x) = − Sin sx + Cos sx +
1
q (τ ) Sin s ( x − τ )φ1 (τ )dτ .
s0
∫
Similarly, performing the same calculations for
and (2.5) we get
φ 2 ( x)
and using the conditions (2.4)
1
π ⎞ ⎛π ⎞
π ⎞ ⎛π ⎞ 1
⎛
⎛
Sin s⎜ x − ⎟φ1' ⎜ ⎟ + δCos s⎜ x − ⎟φ1 ⎜ ⎟ +
q (τ ) Sin s ( x − τ )φ 2 (τ )dτ
δs
2⎠ ⎝2⎠
2⎠ ⎝2⎠ s 0
⎝
⎝
x
φ 2 ( x) =
for
∫
⎛π ⎤
x ∈ ⎜ ,π ⎥ .
⎝2 ⎦
Lemma 2: Let λ
= s 2 for s being a complex number. Let Im s = t . Then, the following
asymptotic equations hold for
⎛
⎝
φ1 ( x, λ ) = 2Cos⎜ sx +
λ →∞.
π⎞
(
−1
⎟+O s e
4⎠
t x
)
(2.21)
20
Sigma 28, 15-25, 2010
π⎞ ⎛ π π⎞
⎛
Sin s⎜ x − ⎟ Sin⎜ s + ⎟ +
2⎠ ⎝ 2 4⎠
δ
⎝
π⎞ ⎛ π π⎞
⎛
t x
2δ Cos s⎜ x − ⎟Cos⎜ s + ⎟ + O s −1e
2⎠
⎝
⎝ 2 4⎠
φ 2 ( x, λ ) = −
2
(
(2.22)
)
( )
χ 2 ( x, λ ) = s Sin s( x − π ) + O e t x
⎛
⎝
χ 1 ( x, λ ) = δ s Sin s⎜ x −
Theorem 2: Let λ
ω (λ )
(2.23)
( )
π⎞
π⎞
⎛π ⎞
⎛
⎛π ⎞ 1
t x
(2.24)
⎟Cos s⎜ ⎟ − s Cos s⎜ x − ⎟ Sin s⎜ ⎟ + O e
δ
2⎠
2
2
2
⎝ ⎠
⎠
⎝
⎝ ⎠
= s 2 and Im s = t . The asymptotic representation of characteristic function
is
ω (λ ) = δ 2 s 2 Cos s
( )
π
π
2s 2
⎛ π π⎞
⎛ π π⎞
t x
Cos⎜ s + ⎟ −
Sin s Sin ⎜ s + ⎟ + O e . (2.25)
δ
2
2
4
2
2
4
⎝
⎠
⎝
⎠
Proof: This result is a direct consequence of equation (2.16) and Lemma 2.
3. ASYMPTOTIC REPRESENTATION OF GREEN FUNCTION
Let us consider Sturm-Liouville equation
L( y ) = − y '' ( x) + q( x) y ( x) = − f ( x)
(3.1)
together with eigenparameter-dependent boundary conditions (1.2)-(1.3) and transmission
conditions (1.4)-(1.5). Here
⎡ π ⎞ ⎛π ⎤
f (x) is continuous function on the interval ⎢0, ⎟ ∪ ⎜ , π ⎥ .
⎣ 2⎠ ⎝2 ⎦
We can represent the general solution of (3.1) in the following form
⎧
⎪⎪ A1φ1 ( x, λ ) + B1 χ 1 ( x, λ )
Y ( x, λ ) = ⎨
⎪ A2φ 2 ( x, λ ) + B2 χ 2 ( x, λ )
⎪⎩
⎡ π⎞
for x ∈ ⎢0, ⎟
⎣ 2⎠
⎛π ⎤
for x ∈ ⎜ , π ⎥
⎝2 ⎦
.
(3.2)
We applied the standard method of variation of the constants to (3.2), thus, the functions
A1 ( x, λ ), B1 ( x, λ ) and A2 ( x, λ ), B2 ( x, λ ) satisfies the linear system of equations
A1'φ1 ( x, λ ) + B1' χ 1 ( x, λ ) = 0,
(3.3)
A1'φ1' ( x, λ ) + B1' χ 1' ( x, λ ) = f ( x),
for
⎡ π⎞
x ∈ ⎢0, ⎟ and
⎣ 2⎠
21
F. Aydın Akgün
Sigma 28, 15-25, 2010
A2' φ 2 ( x, λ ) + B2' χ 2 ( x, λ ) = 0,
(3.4)
A2' φ 2' ( x, λ ) + B2' χ 2' ( x, λ ) = f ( x),
for
⎛π ⎤
x ∈ ⎜ , π ⎥ . Since λ is not an eigenvalue and
⎝2 ⎦
Wλ (φi , χ i ; x) ≠ 0 for i = 1,2
each of the linear system in (3.3) and (3.4) has a unique solution which leads
1
A1 ( x, λ ) =
ω (λ )
π
2
⎡ π⎞
x ∈ ⎢0, ⎟,
⎣ 2⎠
∫ f ( y) χ ( y, λ )dy + A
1
1
x
⎡ π⎞
x ∈ ⎢0, ⎟,
⎣ 2⎠
x
1
f ( y )φ1 ( y , λ )dy + B1
ω (λ ) 0
∫
B1 ( x, λ ) =
π
1
A2 ( x, λ ) =
ω (λ )
∫ f ( y)χ
x
2 ( y,
⎛π ⎤
λ )dy + A2 x ∈ ⎜ , π ⎥,
⎝2 ⎦
⎛π ⎤
x ∈ ⎜ , π ⎥.
⎝2 ⎦
x
B2 ( x, λ ) =
1
f ( y )φ 2 ( y, λ )dy + B2
ω (λ ) π
∫
2
Where A1 , A2 , B1 and B2 are arbitrary constants. Substituting these expressions to
(3.2), we obtain the solution of (3.1)
φ ( x, λ )
Y ( x, λ ) = 1
ω (λ )
for
π
2
∫
χ 1 ( x, λ )
f ( y )φ1 ( y, λ )dy + A1φ1 ( x, λ ) + B1 χ1 ( x, λ ) (3.5)
ω (λ ) ∫0
x
f ( y ) χ 1 ( y, λ )dy +
x
⎡ π⎞
x ∈ ⎢0, ⎟ and
⎣ 2⎠
π
Y ( x, λ ) =
φ 2 ( x, λ )
χ ( x, λ )
f ( y ) χ 2 ( y, λ )dy + 2
f ( y )φ 2 ( y, λ )dy + A2φ 2 ( x, λ ) + B2 χ 2 ( x, λ ) (3.6)
ω (λ ) ∫x
ω (λ ) π∫
x
2
for
⎛π ⎤
x ∈ ⎜ ,π ⎥ .
⎝2 ⎦
Substituting these solutions into the eigenparameter-dependent boundary conditions
(1.2)-(1.3) and the transmission conditions (1.3)-(1.4), we obtain the resolvent of the boundary
value problem (1.1)-(1.5) as
π
χ ( x, λ )
φ ( x, λ )
f ( y )φ ( y, λ )dy +
f ( y ) χ ( y, λ )dy
ω (λ ) ∫0
ω (λ ) ∫x
x
Y ( x, λ ) =
22
.
(3.7)
Sigma 28, 15-25, 2010
We can now easily find the Green’s function of the problem (1.1)-(1.5) from the
resolvent (3.1).
Theorem 3: If the equation L (u ) = 0 has only trivial solution, then, for any function f (x)
which is continuous on the interval
given by
[a, b] , there exists a solution of the equation
Lu = f (x)
b
∫
u ( x) = G ( x, ξ ; λ ) f (ξ ) dξ .
a
Proof of this theorem can be found in [13] where
G ( x, ξ ; λ )
denotes the Greeen’s
function for the operator L .
From Theorem 3 we have
π
∫
Y ( x, λ ) = G ( x, y; λ ) f ( y )dy .
0
and from (3.7), the Green’s function of the problem (1.1)-(1.5) can be represented as follows
⎧ 1
⎪⎪ ω (λ ) χ ( x, λ )φ ( y, λ ),
G ( x, y; λ ) = ⎨
1
⎪
χ ( y, λ )φ ( x, λ ),
⎩⎪ ω (λ )
0 ≤ y ≤ x ≤ π, x ≠
0 ≤ x ≤ y ≤ π, x ≠
π
2
π
2
, y≠
, y≠
π
2
π
.
(3.8)
2
Finally, in view of the condition (2.10) and using the asymptotic formulas in (2.21)(2.25), we obtain the asymptotic representation of Green’s function
23
G ( x, y; λ ) for λ → ∞ as
F. Aydın Akgün
Sigma 28, 15-25, 2010
⎧
π ⎞⎛
π⎞⎞
⎛
⎛
Cos⎜ sy + ⎟⎜⎜ Sin s⎜ x − ⎟ ⎟⎟
⎪
4
2⎠⎠
⎝
⎠
⎝
t ( y− x)
⎝
⎪
+ O s −2 e
⎪
⎛ π π⎞
s Cos⎜ s + ⎟
⎪
⎝ 2 4⎠
⎪
π⎞
⎛
⎪
Sin s (x − π )Cos⎜ sy + ⎟
⎪
4⎠
t ( y−x)
⎝
⎪
+ O( s −2 e
)
⎪ δs Cos s π Cos⎛ s π + π ⎞ − s Sin s π Sin ⎛ s π + π ⎞
⎜
⎟
⎜
⎟
⎪
2
2
⎝ 2 4⎠ δ
⎝ 2 4⎠
⎪
⎡
−
1
π
π ⎞⎤
⎛
⎞
⎛
⎪
Sin s( x − π )⎢ Sin s⎜ y − ⎟ + δCos s⎜ y − ⎟⎥
⎪
2
2 ⎠⎦
δ
⎝
⎠
⎝
t ( y−x)
⎣
)
+ O( s − 2 e
⎪
s
π
π
⎪
δs Cos s + Sin s
⎪
2 δ
2
G ( x, y; λ ) = ⎨
π ⎞⎛
π⎞⎞
⎛
⎛
⎪
Cos⎜ sx + ⎟⎜⎜ Sin s⎜ y − ⎟ ⎟⎟
⎪
4 ⎠⎝
2⎠⎠
⎝
⎝
t ( y−x)
+ O( s − 2 e
)
⎪
π
π
⎛
⎞
⎪
s Cos⎜ s + ⎟
⎪
⎝ 2 4⎠
⎪
π⎞
⎛
⎪
Sin s ( y − π )Cos⎜ sx + ⎟
4⎠
t ( y−x)
⎪
⎝
+ O( s − 2 e
)
⎪
π
π
⎛ π π⎞ s
⎛ π π⎞
⎪ δs Cos s Cos⎜ s + ⎟ − Sin s Sin ⎜ s + ⎟
2
2
⎝ 2 4⎠ δ
⎝ 2 4⎠
⎪
⎪
⎡−1
π⎞
π ⎞⎤
⎛
⎛
⎪ Sin s ( y − π )⎢ Sin s⎜ x − ⎟ + δCos s⎜ x − ⎟⎥
δ
2
2 ⎠⎦
⎝
⎠
⎝
t ( y− x)
⎣
⎪
+ O( s −2 e
)
⎪
π s
π
δs Cos s + Sin s
⎪
2 δ
2
⎩
(
)
0≤ y≤ x<
0≤ y<
π
2
π
2
π
2
≤ x≤π
< y ≤ x≤π
0≤ x≤ y<
0≤ x<
π
2
π
2
π
2
< y ≤π
< x< y ≤π
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Tikhonov A.N., Samarskii A.A., “Equations of Mathematical Physics”, Pergamon:
Oxford and New York, 1963.
Akdoğan Z., Demirci M., Mukhtarov OSh., “Discontinuous Sturm–Liouville Problem
with Eigenparameter-Dependent Boundary and Transmission Conditions”, Acta
Applicandae Mathematicae, 86:329–344, 2005.
Binding P.A., Browne P.J., Watson B.A., “Strum–Liouville Problems with Boundary
Conditions Rationally Dependent on the Eigenparameter II.”, Journal of Computational
and Applied Mathematics, 148:147–169, 2002.
Fulton C.T., “Two-Point Boundary Value Problems with Eigenparameter Contained in the
Boundary Conditions”, Proc. R. Soc. Edinburg A77, 293-308, 1977.
Mukhtarov O.Sh., Kadakal M., Muhtarov F.S., “On Discontinuous Sturm–Liouville
Problem with Transmission Conditions”, Journal of Mathematics of Kyoto University,
444:779–798 2004.
Shkalikov A.A., “Boundary Value Problems for Ordinary Differential Equations with a
Parameter in Boundary Conditions”, Trudy. Sem. Petrovsk. 9, 190-229, 1983.
Tunc E., Muhtarov O.Sh., “Fundamental Solution and Eigenvalues of One Boundary
Value-Problem with Transmission Conditions”, Applied Mathematics and Computation,
157:347–355, 2004.
Yakubov S., “Completeness of Root Functions of Regular Differential Operators”,
Logman, Scientific and Technical, New York, 1994.
24
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
Sigma 28, 15-25, 2010
Titeux I., Yakubov Ya., “Completeness of Rooth Functions for Thermal Conduction in a
Strip with Piecewise Continuous Coefficients”, Mathematical Models and Methods in
Applied Sciences, 7(7): 1035-1050, 1997.
Voitovich N.N., Katsenalbaum B.Z., Sivov A.N., “Generalized method of Eigen-vibration
in the Theory of Diffraction”, Nauka: Moskow, 1997.
Aydın Akgun F., "On Boundary Value Problems which have Spectral Parameter in
Boundary Conditions”, PhD Thesis, Mathematical Engineering Department, Y.T.Ü, 2008.
Akdoğan Z., Demirci M., Muhtarov Osh., “Green Function of Discontinuous Boundary
Value Problem with Transmission Conditions”, Math. Meth. Appl. Sci., 30: 1719-1738,
2007.
Naimark M.A., “Linear Differential Operators”, Part I, George G. Harrap & Co.Ltd.,
London, 1968.
25
Sigma 28,
26-34,
2010
INVESTIGATION OF PENETRATION AND PENETRATION INDEX IN
BITUMEN MODIFIED WITH SBS AND REACTIVE TERPOLYMER
Seyfullah KEYF*
Yıldız Teknik Üniversitesi, Kimya-Metalurji Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Esenler-İSTANBUL
ABSTRACT
The aim of this work is to develope properties of bitumen in asphalt which modifying is applied on road in
city. In order to reduce the sensitivity of bitumen against to temperature and to increase service-life of over
structure was formed new asphalt composition. ELVALOY RET, elastomeric reactive terpolymer, which was
developed by DUPONT company was used as a new additive. With addition of Elvaloy RET and SBS in
bitumen, the values of penetration decreased, penetration index increased in final product according to binding
with pure bitumen.
Keywords: Modified bitumen, elastomeric reactive terpolymer, SBS.
SBS VE REAKTİF TERPOLİMER İLE MODİFİYE EDİLMİŞ BİTÜMDE PENETRASYON VE
PENETRASYON İNDEKSİNİN İNCELENMESİ
ÖZET
Bu çalışmanın amacı, kent içi karayollarında uygulanmakta olan asfalttaki bitümün modifiye edilerek
özelliklerinin geliştirilmesidir. Bitümün sıcaklığa karşı duyarlılığını azaltmak ve üst yapının hizmet ömrünü
artırmak amacıyla bitüme katkı maddesi ekliyerek yeni asfalt bileşimi oluşturuldu. Yeni bir katkı malzemesi
olarak DUPONT firması tarafından geliştirilen elastomerik reaktif terpolimer olan ELVALOY RET
kullanıldı. Elvaloy RET ve SBS in bitüme ilave edilmesiyle son üründe saf bitümlü bağlayıcıya göre
penetrasyon değerinin azaldığı, penetrasyon indeksinin arttığı belirlendi.
Anahtar Sözcükler: Modifiye bitüm, elastomerik reaktif terpolimer, SBS.
1. GİRİŞ
Karayolu üst yapısında genel olarak karışım ve yapısal tasarım olmak üzere iki adet kavram
bulunmaktadır. Yapısal tasarımın amacı, asfalt bağlayıcılı tabakanın tabanında oluşan ve asfalt
betonu içerisinde çatlamalara neden olan çekme gerilmelerine ve taban zemini üzerinde oluşan ve
basınç bozulmalarına dayanıklı bir üstyapı tasarlamaktır. Karışım tasarımındaki genel düşünceyse
karışımı en uygun hale getirmek ve yapısal tasarım için gerekli verileri mantıklı ve doğru tahmin
etmektir. Bu değerlendirme yöntemlerinin matematiksel yöntemlerle desteklenmesi
gerekmektedir.
*
[email protected], tel: (212) 383 47 77
26
Investigation of Penetration and Penetration …
Sigma 28, 26-34, 2010
Asfalt üst yapıların işleyişinin ölçülmesi, üst yapıda oluşabilecek tehlikeli duruma göre
değerlendirilmektedir;
•
•
•
Isıl çatlaklar (yüksek ya da düşük sıcaklık çatlakları)
Yorulma çatlakları
Tekerlek izi ya da kalıcı bozulmalarıdır.
Bunların dışında, nemden ileri gelen bozulmalar, sürtünme katsayısındaki azalma gibi
sürüş güvenliğini azaltacak nedenler de üst yapının bozulması açısından tehlikeli olabilir. Ancak
bugüne kadar yapılmış olan çalışmalar genelde yukarıda belirtilen üç tehlikeli durum için
yapılmıştır. Tüm bunlara karşın yük ve çevre koşulları bakımından üst yapının işleyişi ya da
servis yeteneği indeksindeki azalma;
•
•
•
•
Yorulma çatlakları
Isıl çatlaklar
Kalıcı bozulma
Nemden dolayı bozulma [1].
Asfalt genelde doygunlar, aromatikler, reçine ve asfalten içerir. Asfalt yolun
performansı, yüksek oranda sıcaklıktan ve yük kuvvetinden etkilenebilir. Düşük sıcaklıkta asfaltta
çatlama, yüksek sıcaklıkta yumuşama gözlenir, asfaltın esneklik sıcaklık aralığı dardır ve baskı
altında belirgin bir gevşeme ve sünme göstermesi olağandır.
Bitüm, viskoelastik ve termoplastik özelliklere sahip olması nedeniyle, dünyada en çok
kullanılan malzemelerin başında gelmektedir. Hem yük altında hem de ısı karşısında değişiklik
göstermektedir. Bu yönüyle çok dikkatli ve çoğunlukla “modifiye” edilerek kullanılması
gerekmektedir [2]. Yol üstyapısında oluşan bozulmaların önüne geçebilmek için yapılan
modifikasyon, karışımın modifiyesi ve bitümün modifiyesi olarak iki farklı şekilde olmaktadır.
Asfalta polimer eklenmesiyle asfaltın yapısı ve kullanım performansı değiştirilebilir [3].
Bu nedenle bağlayıcı olarak kullanılan bitümün bileşiminin ısıl değişikliklere, havadaki
oksijene, neme, ışığa karşı dayanımının arttırılması gerekmektedir. Bu etkilere karşı dayanımının
arttırılması için bitümün modifiye edilmesinin çalışmaları oldukça önemlidir [4].
Günümüzde asfaltın modifikasyonu amacıyla bir çok çeşit polimer kullanılır. Stiren
butadien stiren (SBS) bu polimerlere bir örnektir [1] .
İyi tasarlanmış polimer modifiye birümün (PMB) reaktif etilen terpolymer ( Elvaloy
RET) katkılı olması yola uzun servis ömrü katar ve yol bakım ihtiyaçlarının önemli ölçüde azaltır.
Bunlar test sonuçlarıyla kanıtlanmıştır ve saha tecrübesi DuPont EGA terpolimeriyle yapılan
asfaltın modifiye edilmemiş ya da stiren-butadien-stiren (SBS) blok kopolimeri gibi çok
kullanılan modifiye kimyasallarla modifiye edilen asfaltın tersine soyulma, kızışma, çatlama ve
yorulmaya karşı üstün direnç gösterdiği anlaşılmıştır [5].
Bu çalışmada bitüm, SBS ve reaktif etilen terpolymer ( Elvaloy RET) ile modifiye
edilerek Elvaloy RET in çatlama ve yorulmaya karşı direnci ile SBS in elastikiyet özellikleri
birleştirilmeye çalışılarak, SBS ve reaktif etilen terpolymer kullanılan bitüm için penetrason ve
penetrasyon indeksi değerleri incelenmiştir.
2. MATERYAL VE YÖNTEM
2.1. Bitum Modifiye Eden Kimyasallar
Bitümü sıcak karışım olarak modifiye eden kimyasalları genel olarak ikiye ayırabiliriz.
1. Fiziksel olarak karıştırılanlar ( homojen karışan zamanla birbirinden ayrılan)
- (VE) VESTOPLAST (Plastomer)
- (OL) OLEXOBİT (Elastomer)
- (GL) GILSONITE (Kaya Asfaltı)
27
S. Keyf
Sigma 28, 26-34, 2010
- (VI) VIATOP (Fiber)
- (KR) KRATON D 1101 CM ( Elastomer )
- (EL) ELVALOY AC (Elastomer)
2. Kimyasal olarak karıştırılanlar ( bitümün içersindeki asfaltenin karboksilik asit gruplaryla
tepkimeye girerek bitüme bağlanan yeni kimyasal bir yapının oluşturulması ) [6].
ELVALOY RET (EVLR) (Elastomer)
Şekil 1. Reaktif etilen terpolimerin (Elvaloy RET) yapısı [7].
Reaktif etilen terpolimer (Elvaloy RET) yapısında etilen, n-bütil akrilat ve glisid
metaakrilatı (GMA) gelişigüzel içeren bir terpolimerdir. Moleküler ağırlık ve komonomer
basamaklar polimerin üretimi esnasında farklılıklar gösterebilir. Elvaloy RET asfaltla
karıştırıldığında ve ısıtıldığında asfaltenin karboksilik asit grubuyla kimyasal tepkimeyi veren
GMA kısmıdır. Tepkimeden sonra Elvaloy RET terpolimerleri asfalt molekülüyle kovalent bağ
yapar ve ayrılmaz. [5].
Şekil 2. Bitümün reaktif etilen terpolimerle tepkimesi [5].
SBS blok kopolimerleri bitümün elastikiyetini arttıran elastomer olarak sınıflandırılır ve
bunlar bitümün modifikasyonu için en uygun polimerlerdir. Düşük sıcaklık elastikiyetini arttırsa
da bazı çalışmalarda yüksek sıcaklıklarda penetrasyona dirençte düşme gözlendiğini iddia
etmektedir. SBS kopolimerlerinin direnç ve elastikiyeti fiziksel ve üç boyutlu yapıda molekül içi
bağların çapraz bağlı gibi davranmasından kaynaklanmaktadır [8].
28
Sigma 28, 26-34, 2010
2.2. Bitüm Modifikasyonu
Deneyde kullanılan 50/70 bitüm TÜPRAŞ rafinerisinden temin edilmiştir. Bitüme % 1-5
aralığındaki oranlarda, SBS fiziksel olarak katılmasıyla beraber Elvaloy RET’in bitüm içindeki
asfaltenin karboksilik asit grubuyla kimyasal tepkime vererek katılması sağlanmıştır. Bitümün
elastikiyet ve yük altında dayanımının arttırılması hedeflenmiştir.
2.2.1. Deneysel Çalışma
2.2.1.1. Deneysel Çalışmada Kullanılan Kimyasalların Teknik Özellikleri
2.2.1.1.1. Elvaloy RET’in Teknik Özellikleri
Çizelge 1. Elvaloy RET’in teknik özellikleri [1]
Fiziksel özellikler
Değerler
Test yöntemleri
3
Yoğunluk
0,94 g/cm
Eriyik akış hızı (190 °C/2,16 kg)
8 g/10 dak
ASTM D1238
Isıl özellikler
Değerler
Test yöntemleri
Erime noktası
72°C
Süreçteki en yüksek sıcaklık
280°C
ISO 1133
2.2.1.1.2. Stiren Butadien Stiren (SBS)’in Teknik Özellikleri
Çizelge 2. SBS’nin teknik özellikleri [9]
Özellik
Eriyik akış hızı 200°C/5 kg
Özgül ağırlık
Yığın yoğunluğu
Test yöntemi
Birim
ISO 1133
g / 10 dak.
ISO 2781
ASTM D1895 B
mg/m3
metodu
Yığın yoğunluğu
ASTM D1895 B
mg/m3
metodu
Sertlik
ISO 868
Shore A (30s)
Gerilme direnci[b]
ISO 37
MPa
Kopma anında uzama[b]
ISO 37
%
%300 modül[b]
ISO 37
MPa
[b]
Toluen çözeltisinde şekillendirilmiş filmler üzerinde ölçülmüştür.
Tipik değer
<1
094
0,3 (F)
0,4 (S,U,M,MU)
72
33
880
2,9
2.2.1.1.3. Elvaloy RET’in Bitüm İçindeki Asfaltenin Karboksilik Asit Grubuyla Kimyasal
Tepkimeyi Hızlandıran Polifosforik Asit’in Teknik Özellikleri
Polifosforik asidin genel formülü n>1 için Hn+2PnO3n+1’dir. Deneyin 4. saatinde 2 numune
alındıktan sonra sisteme ilave edilerek tepkimenin oluşum zamanını 24 saatten 6 saate kadar
düşürür.
29
S. Keyf
Sigma 28, 26-34, 2010
Çizelge 3. Polifosforik asidin teknik özellikleri [10]
Fiziksel durum
Sıvı
Görünüm
Renk
PH
Kıvamlı
Renksiz-soluk yeşil
<2
Erime noktası
Kaynama noktası
Özgül yoğunluğu (25 °C)
Suda çözünürlüğü
Organik çözücülerdeki çözünürlüğü
Dinamik viskozitesi
16-30°C
310°C
1920 kg/m3
Çözünür, reaktiftir
Alkollerde çözünür, reaktiftir
25°C’de 840 mPa 100°C’de 35 mPa.s
2.2.1.2. Deneysel Çalışmanın Yapılışı
50-70 AC li bitüm 2- 3 kg arası tartılır, aşağıdaki işlemler yapılarak devam edilir.
Başlangıç: 220 0C’ye kadar bitüm ısıtılır, yüzdesi belli olan SBS içine katılır ve 90
devir/dk devirle sürekli karıştırılır.
•
1.saat: SBS’in bitümde eritilmesine devam edilir.
•
2.saat: SBS’in bitümde eritilmesine devam edilir, sıcaklık 195 0C’e düşürülerek yüzdesi
belli olan Elvaloy RET ilave edilir.
•
3. saat: SBS ve Elvaloy RET içeren 1. numune alınır.
Her iki modifiyer iyice karıştırıldıktan sonra;
•
4. saat: 2.numune alınır, yüzdesi belli olan süper polifosforik asitten katılarak Elvaloy
RET’in asfaltenik asitle tepkimesi hızlandırılır.
•
5. saat: 3. numune alınır.
•
6. saat: 4.numune alınır
•
7. saat: 5. numune alınır
•
8. saat: 6. numune alınır
Deney yapılan numunelere penetrasyon testleri yapılır. Değişik karışımlardaki
testlerdeki numunelerin modifikasyonun aşamalarındaki gelişimi ve değişimi incelemek için
gereklidir;
•
1. numune SBS ve Elvaloy RET ’in karışımının değerlerini test etmek için elde edilir.
•
2. numune süper polifosforik asitin Elvaloy RET ve asfaltenik asit tepkimesinin
hızlanmasıyla değişen özellikleri test etmek için elde edilir.
•
3. numune SBS ve Elvaloy RET karışmından, Elvaloy RET’in asfaltenin karboksilik
asit grubuyla kimyasal tepkimeye girmesiyle değişen fiziksel özellikler test edilir.
•
4. numune 3. numunedeki değişimlerin devam edip etmediği gözlemlenir.
•
5. numuneyle tepkime sonlanmaya yaklaştığı gözlemlenir.
•
5. numune ile 6. numune değerlerinin birbirine yakın olması durumunda tepkimenin
bittiğini belirlemek için incelenir.
2.3. DENEYSEL ÇALIŞMA TEST SONUÇLARI
2.3.1. Penetrasyon Testi
Bitümlü bağlayıcıların kıvamlılığı é penetrasyon deneyi ile tayin edilir. Penetrasyon; özellikleri
belli bir iğnenin belirli yük altında, belli bir sure içinde, belli sıcaklıkta bağlayıcıya dikey
doğrultuda batma uzunluğudur.
30
Sigma 28, 26-34, 2010
Yapılan test sonucu penetrometrede okunan değerler aşağıdaki grafikte görülmektedir.
Şekil 3. SBS ve Elvaloy RET (EVLR) ile modifiye edilen 50/70 bitüme ait penetrasyon değerleri
50/70 saf bitümün penetrasyon değeri 63 bulunmuştur, bitüm içeriğindeki SBS oranı
arttıkça penetrasyon değerlerinde düşme olmuştur. SBS’in katılmasıyla penetrasyon değerinin
azaldığını göstermektedir. Penetrasyon değerlerinde gerçekleşen azalma, yüzdesi belli benzer
SBS kontsanrasyonlu diğer çalışmalardaki penetrasyon azalması değerinden daha fazla
penetrason düşüşü Elvaloy RET’in bitüme katılması ve tepkimesinden kaynaklandığı
belirlenmiştir.
2.3.2. Yumuşama Noktası
Yumuşama noktası genel olarak; bir su banyosu içine yerleştirilmiş ve üzerinde bir bilye bulunan
standart bir kalıp içerisindeki bitümlü malzemenin, belirli bir hızla ısıtılması sonucunda
yumuşayarak tabana değdiği anda termometreden okunan sıcaklık olarak tanımlanabilir
Yapılan test sonucu numunelerin yumuşama noktası değerleri aşağıdaki tabloda
görülmektedir.
31
S. Keyf
Sigma 28, 26-34, 2010
Çizelge 4. SBS ve Elvaloy RET (EVLR) ile modifiye edilen 50/70 bitüme ait yumuşama noktası
değerleri
%1 SBS
%2 EVLR
Yumuşama
Noktası 0C
%1.5 SBS
%2 EVLR
Yumuşama
Noktası 0C
1.Num.
62
63
64
66
68
2.Num.
63
64
66
68
71
3.Num.
67
68
70
73
77
4.Num.
69
70
72
75
79
5.Num.
70
71
73
76
80
6.Num.
71
72
74
77
81
Test
Numarası
%2 SBS
%2 EVLR
Yumuşama
Noktası 0C
%2.5 SBS
%2 EVLR
Yumuşama
Noktası 0C
%3 SBS
%2 EVLR
Yumuşama
Noktası 0C
2.3.3. Bitümlü Bağlayıcıların Isıya Karşı Duyarlılığını (Penetrasyon İndeksi)
Bitümlü bağlayıcıların ısıya karşı duyarlılıkları, karışım hazırlama sırasında enerji ve süre
bakımından, uygulamada ise kaplamaların yüksek sıcaklıklarda kalıcı deformasyon ve düşük
sıcaklıklarda ısıl çatlak oluşumu bakımından büyük önem arz etmektedir. Isı duyarlılığı düşük
bağlayıcılar karışım hazırlama sırasında olumsuzluklara neden olmasına rağmen kaplama
performansının artmasını sağlamaktadır. Bitümlü bağlayıcıların ısıya karşı duyarlılığını saptamak
amacıyla yumuşama noktası ve standart penetrasyon deney sonuçları kullanılarak Penetrasyon
İndeksi (PI) değeri belirlenmektedir [12].
A
=
(1)
( log 800- log P25 ) / (TYN-25)
(2)
PI = ( 20 - 500A ) / ( 1+ 50A)
Formüldeki P25, bitümün 25°C’deki penetrasyon değerini, TYN ise yumuşama noktasını
göstermektedir. Bitümlü bağlayıcıların ısıya karşı duyarlılıkları arttıkça PI değerleri azalmaktadır.
Penetrasyon İndeksi’nin 2’den küçük olması bitümün ısıya çok duyarlı olduğunu, 2’den büyük
olması ise ısıya karşı az duyarlı olduğunu göstermektedir
50/70 saf bitümün yumuşama noktası değeri 48 0C belirlenmiştir. Bitüm içeriğindeki
SBS ve Elvaloy RET (EVLR) oranı arttıkça penetrasyon indeksinin belirgin olarak bir artış
olduğu belirlenmiştir. Saf bitümün ısıya karşı duyarlı olduğunu, bitüm içersindeki SBS ve Elvaloy
REY (EVLR) oranı arttıkça bitümün sıcaklığa karşı duyarlılığını azaldığı belirlendi.
Yapılan test sonuclarıyla penetrasyon indeksi hesaplanarak penetrasyon indeksinin
zamanla değişimi aşağıdaki grafikte görülmektedir.
32
Sigma 28, 26-34, 2010
Şekil 4. SBS ve Elvaloy RET (EVLR) ile modifiye edilen 50/70 bitüme ait penetrasyon indeksi
grafiği
3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA
Bu çalışmada bitümün modifiyesinde heteropolimer (SBS) ve reaktif terpolimer (Elvaloy RET)
kullanıldı. Bitümün heteropolimer ve reaktif terpolimer ile modifiye edilen numuneleri
penetrasyon, testlerine tabi tutularak çıkan sonuçlar değerlendirilmiştir.
Saf bitüme bitümle reaksiyona giren Elvaloy RET ve bitüme fiziksel karışan SBS
(Kraton D1101) ilave edilmesiyle son üründe saf bitümlü bağlayıcıya göre penetrasyon değerinin
azaldığı belirlendi. Penetrasyon değerlerindeki azalmanın katılan SBS (Kraton D1101)’den ve
özellikle oksijenden dolayı bitümün sertleşmesini geciktirmede etkili olan reaktif terpolimer
(Elvaloy RET)’den kaynaklandığı bilinmektedir. Penetrasyon testinde öncelikle başlangıçtan
itibaren 2 saat süreyle SBS’nin eritilmesiyle penetrasyon değerinde oldukça önemli oranda bir
azalma görülmüştür, ortama Elvaloy RET’in katılmasından sonra eklenen katalizör polifosforik
asitin 4. saatten 5. saate doğru Elvaloy RET’ in tepkimeye girmesinden kaynaklı penetrasyon
değerinde bir azalmanın olduğu belirgin bir şekilde tespit edilmiştir. Penetrasyon indeksi
öncelikle başlangıçtan itibaren 2 saat süreyle içinde SBS’nin eritilmesiyle penetrasyon indeksi
değeri önemli ölçüde bir artma görülmüştür, ortama Elvaloy RET’in katılmasından sonra eklenen
katalizör polifosforik asitin 4. saatten 5. saate doğru Elvaloy RET in tepkimesinden kaynaklı
penetrasyon indeksi değerinde artışa neden olduğu belirgin bir tespit edilmiştir. 50/70 saf bitümün
penetrasyon indeksi 1.28 iken diğer bir deyişle sıcaklıktan oldukça etkilenirken, SBS ve Elvaloy
RET ile modifiye edilen bitüm en düşük 2.04 en yüksek 5.11 gibi değerlere ulaşarak sıcaklıktan
çok az etkilenen bitüm olacağı tespiti yapılmıştır.
Bu çalışmada SBS ve Elvaloy RET ile modifiye edilen bitümün penetrasyon değerleri
azalttığını ve penetrasyon indeksini arttırdığı tespit edilmiştir. Penetrasyon azalmaya bağlı olarak
modifiye edilmiş bitümün; sıcaklığa karşı dayanımının arttığını, daha uzun kullanım ömrüne
sahip olacağı belirlenmiştir.
33
S. Keyf
Sigma 28, 26-34, 2010
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
M. Ilıcalı, S. Tayfur, H. Özen, “The Effects of SBS Additives on the Properties of
Bituminous Binders”, EUROASPHALT&EUROBITUME Congress Spain, 20
September, 2000.
http://www.e-kutuphane.imo.org.tr/pdf/11160.pdf [Erişim Tarihi: Eylül 24, 2009].
Cont, Y., Huang, W., Liao, K., “Compatibilty Between SBS and Asphalt”, Petroluem
Science and Technology, 26: 346-352., 2008.
Keyvanklıoğlu,N. “Köprüler ve Viyadüklerde Kullanılan Modifiye Asfalt Bazlı Yalıtım
Örtüsü”, I. Asfalt Sempozyumu, 1996, pp 176-183,Ankara
http://www2.dupont.com/Elvaloy/en_US/assets/downloads/elvaloy_4170.pdf
[Erişim
Tarihi: Eylül 6, 2009].
M.W. Witczak, I. Hafez.,and X. Qi., “Laboratory Characterization of Elvaloy Modified
Asphalt Mixtures”, Vol 1. Technical Report, June 1995, pp 1-13
Keyf, S., Ö.zen., H. “Terpolimerle Bitüm Modifiyesi Test Sonuçlarının İncelenmesi”,
UKMK 6, 6.Ulusal Kim. Müh. Kong. 2004, KT -117,
Sengöz, B. ve Isıkyakar, G., “Evaluation of The Properties and Microstructure of SBS
and EVA Polymer Modified Bitumen”, Construction and Building Materials, Volume 22,
Issue 9,Pages 1897-1905, 2008.
http://docs.kraton.com/pdfDocuments/2009091710530834364453.PDF [Erişim Tarihi:
Ekim 16, 2009].
http://www.thermphos.com/Brochures/~/media/Pdf/brochure/Brochure01%20pdf.ashx
[Erişim Tarihi: Eylül 26, 2009].
Keçeciler, A. F., Akkol, G., Gümrükçüoğlu, A. ve Gökçe, A. F., “Bitümlü Malzemeler
Laboratuar El Kitabı”, Araştırma Dairesi Başkanlığı, Ankara, 1990.
Yılmaz, M., Ahmedzade, P., “Saf ve sbs modifiyeli bitümlü bağlayıcıların kısa dönem
yaşlanmadan sonraki özelliklerinin iki farklı yaşlandırma yöntemi kullanılarak
incelenmesi”, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 23, No 3, 569-575, 2008.
34
Sigma 28,
35-48,
2010
USE OF PROACTIVE AND REACTIVE PRODUCT DEVELOPMENT
STRATEGIES IN ENTERPRISES APPLYING CONCURRENT ENGINEERING
APPROACH: A FIELD SURVEY IN TURKISH CERAMIC SECTOR
Yeşim YAYLA*1, Aytaç YILDIZ1, Birol AKYÜZ2
1
2
Marmara Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, Göztepe-İSTANBUL
Bilecik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine ve İmalat Mühendisliği Bölümü, BİLECİK
ABSTRACT
The concept of concurrent engineering has been widely recognized by the companies to combine the different
activities of different departments to enable fast and efficient product development method. An organization must
have an appropriate business strategy to create successful new products or improve existing products in order to gain
advantage over competitors. The basic strategic decision that needs to be made in product development is whether to
adopt a proactive or reactive strategy. A proactive product development strategy explicitly allocates resources to
search and identify opportunities and to preempt possible adverse effects. A reactive strategy needs to deal with the
pressures from competition. In this study, the results of a field study to ascertain which strategy among reactive or
proactive product development are used in ceramic sector firms employing concurrent engineering product
development approach. In the framework of the study, 52 firms active in ceramic sector are surveyed with a
questionnaire. The data of the survey is analysed with SPSS 15.00 statistical analysis software and the results are
evaluated with clustering and MANOVA analyses. From the field survey perspective, the effectiveness of reactive
and proactive product development strategies of the firms employing concurrent engineering approach is interpreted.
Keywords: Turkish ceramic industry, concurrent engineering, proactive product development strategies, reactive
product development strategies.
EŞ ZAMANLI MÜHENDİSLİK YAKLAŞIMINI UYGULAYAN FİRMALARDA PROAKTİF VE REAKTİF
ÜRÜN GELİŞTİRME STRATEJİLERİNİN KULLANIMI: SERAMİK SEKTÖRÜNDE BİR SAHA
ARAŞTIRMASI
ÖZET
Ürün geliştirme prosesi boyunca farklı bölümler tarafından gerçekleştirilecek olan faaliyetleri bütünleştiren eş
zamanlı mühendislik, hızlı ve etkili bir ürün geliştirme yaklaşımı olarak firmalarca yaygın olarak kullanılmaktadır.
İşletmelerin kullandıkları ürün geliştirme stratejileri, eş zamanlı mühendislik yaklaşımı uygulamasının sağlayacağı
yararları önemli oranda etkileyecektir. Bu stratejilerden biri olan proaktif ürün geliştirme stratejisinde, fırsatlar
belirlenmeli ve gerektiğinde olumsuz etkileri ortadan kaldırmak üzere kaynaklar açıkça ortaya konulmalıdır. Bir
diğer strateji olan reaktif ürün geliştirme stratejisinde ise, rakiplerden gelecek olan baskıların üstesinden gelinmelidir.
Reaktif stratejiler, uzun vadede pazar payı kazanma konusunda başarılı olarak değerlendirilmemektedir. Bu
makalede, seramik sektöründe faaliyet gösteren ve eş zamanlı ürün geliştirme yaklaşımını uygulayan firmalarda,
reaktif ve proaktif ürün geliştirme stratejilerinden hangisinin daha etkili olarak kullanıldığının tespitine yönelik
yapılan bir saha araştırmasının sonuçlarına yer verilmiştir. Araştırma kapsamında, seramik sektöründe faaliyet
gösteren 52 firmayı kapsayan bir anket çalışması yapılmıştır. Elde edilen veriler SPSS 15.0 istatistik programı
kullanılarak, kümeleme ve tek yönlü MANOVA analizleri ile değerlendirilmiştir. Saha araştırması sonuçlarından
hareketle seramik sektöründe yer alan ve eşzamanlı mühendislik yaklaşımını uygulayan firmalarda reaktif ve proaktif
ürün geliştirme stratejilerinin kullanımları mukayeseli olarak yorumlanmıştır.
Anahtar Sözcükler: Türk Seramik sektörü, eş zamanlı mühendislik, proaktif ürün geliştirme stratejileri, reaktif ürün
geliştirme stratejileri.
*
Corresponding Author/Sorumlu Yazar: e-mail/e-ileti: [email protected], tel: (216) 336 57 70 / 319
35
Y. Yayla, A. Yıldız, B. Akyüz
Sigma 28, 35-48, 2010
1. GİRİŞ
Başarılı ürün geliştirme faaliyetleri, müşteriler için değer yaratmanın en önemli yoludur. Müşteri
memnuniyetini artırmak için, ürün geliştirme ve süreç tasarımında müşteri istek ve beklentilerini
karşılamaya yönelik faaliyetlerde bulunmak gerekmektedir [1,2]. Müşteri ihtiyaç ve beklentileri
belirlendikten sonra, ürün geliştirme süreçlerinin bu beklentileri karşılayacak biçimde
planlanması ve yönetilmesi ürün geliştirme organizasyonu çalışmalarını oluşturmaktadır [3,4].
Müşterilerin istek ve beklentilerini en hızlı ve en doğru şekilde tespit ederek en kısa zamanda
ürün geliştirme sürecine yansıtabilen, müşteri odaklı bir yaklaşıma göre tasarlanarak üretilmiş
ürünleri rakiplerinden önce pazara sunabilen firmalar, günümüzün rekabet ortamında başarıya
ulaşan firmalar olacaktır [5].
Geleneksel ürün geliştirme yaklaşımında (seri ürün geliştirme yaklaşımı), ürünün
tasarımı farklı zamanlarda ve birbirleriyle iletişimi çok az olan farklı bölümler tarafından
yapılmaktadır. Bu durum, ürün hakkında bilgi eksikliğine ve üretim ile ilgili verilerin tam ve
doğru olarak bilinmemesine neden olmaktadır. Bu nedenle, ürün geliştirme süreçlerinin ilerleyen
aşamalarında sorunlar ve tasarım değişiklikleri ortaya çıkmaktadır [1,2]. Etkin ürün geliştirme
faaliyetlerinin ortaya çıkarılması, işletmenin tüm bölümlerinin birlikte çalışmasını gerektirir. Bu,
ürün kalitesini ve işletme performansını artırır. Özellikle, tasarım ve üretim bölümlerinin birlikte
çalışması, kaliteyi geliştirmek, maliyetleri düşürmek için önemlidir [6-9]. Tasarım ve üretime
ilişkin çalışmaların ve hatta destek hizmetlerin aynı zamanda yürütülmesi durumunda, belirtilen
bu sorunların çözülmesi sağlanacaktır düşüncesiyle, eş zamanlı mühendislik (paralel ürün
geliştirme, bütünleşik ürün geliştirme, çapraz fonksiyonel ürün geliştirme) adı verilen yaklaşım
ortaya çıkmıştır [1,10-12].
İşletmeler yeni ürünler geliştirerek içinde yer aldıkları pazarda büyümeye çalışmaktadır.
Ürün geliştirme, insan kaynakları, üretim ve pazarlama fonksiyonları stratejik karar alanları içinde
yer almaktadır. Stratejilerin işletme performansına etki alanları; ürün kalitesi, maliyetler, esneklik
ve fiyattır. Ürün geliştirme süresinin kısaltılması ve ürünün pazara giriş süresinin hızlandırılması,
kaliteyi arttırmak, ürün geliştirme süreçlerinin performansını attırmak ve rekabette uzun dönemli
avantajlar sağlamak, ürün geliştirme stratejilerinin kullanılmasının nedenleri arasında yer
almaktadır [13].
İşletmeler, ürün geliştirme prosesinin herhangi bir aşamasında ortaya çıkan
problem(ler)le baş edebilmek ve karşılaşılan bu problem(ler)i kaynağında çözebilmek için ürün
geliştirme performansını artırmaya yönelik uygun stratejiler ve metotlar kullanmaktadır. Bu
makalede, seramik sektöründe faaliyet gösteren ve eş zamanlı ürün geliştirme yaklaşımını
uygulayan firmalarda, reaktif ve proaktif ürün geliştirme stratejilerinden hangisinin daha etkili
olarak kullanıldığının tespitine yönelik bir saha araştırmasına yer verilmiştir. Bu bağlamda,
çalışmanın ilk bölümlerinde; eş zamanlı ürün geliştirme yaklaşımı, proaktif ve reaktif ürün
geliştirme stratejileri ve saha araştırmasının gerçekleştirildiği Türk seramik sektörü hakkında bilgi
verilmiştir. Çalışmanın devamında, Türk seramik sektöründe faaliyet gösteren 52 firmanın yer
aldığı bir anket çalışmasını kapsayan saha araştırmasına ilişkin metodoloji yer almaktadır.
Araştırma metodolojisi başlığı altında; örnek özellikleri ve anket verilerinin toplanması, ankette
kullanılan ölçekler, kümeleme ve tek yönlü MANOVA analizi sonuçları incelenmiştir. Sonuç ve
değerlendirme bölümünde, sektörel bazda ortaya çıkan istatistiksel analiz sonuçları temel alınarak
konu ile ilgili yorum ve önerilere yer verilmiştir.
2. EŞ ZAMANLI ÜRÜN GELİŞTİRME YAKLAŞIMI
Ürün geliştirme yaklaşımlarını seri ürün geliştirme yaklaşımı (seri mühendislik) ve eş zamanlı
ürün geliştirme yaklaşımı (eş zamanlı mühendislik) olarak iki kısımda incelemek mümkündür.
Seri ürün geliştirme yaklaşımında; ürün geliştirme çalışmaları ve süreç faaliyetleri bir işlem
sırasını takip ederek sıralı olarak yerine getirilmektedir. Eş zamanlı ürün geliştirme yaklaşımı;
36
Use of Proactive and Reactive Product Development …
Sigma 28, 35-48, 2010
ürün geliştirme çalışmalarının ve süreç faaliyetlerinin eş zamanlı olarak gerçekleştirilmesi esasına
dayanmaktadır [14,15].
Seri ürün geliştirme yaklaşımında bir aşama tamamlanmadan diğerine geçilememektedir
[16]. Bu durumda; süreçlerin yavaşlaması, bürokrasinin artması, ürün geliştirme prosesinin
herhangi bir aşamasında ortaya çıkan tasarım değişikliklerinden kaynaklanan yüksek maliyetler
ve ürün geliştirme zamanının uzaması gibi olumsuzluklar ortaya çıkmaktadır [8,17]. Mühendislik
bölümü, pazarlama bölümünden müşteri ihtiyaçlarını alarak bunları tasarım elemanlarına
aktarmaya çalışmaktadır. Bu sırada, zaman ve bilgi kaybı söz konusu olmaktadır. Aynı problem
tasarım elemanlarının, bilgileri üretim bölümüne aktarması esnasında da devam etmektedir [7,18].
Şekil 1’ de, seri ürün geliştirme yaklaşımının aşamaları görülmektedir.
Pazarlama
Geliştirme
Üretim
Satış
Servis
Şekil 1. Seri Ürün Geliştirme Yaklaşımı [16]
Seri ürün geliştirme yaklaşımında ortaya çıkan bu sorunların çözülmesi için paralel veya
eş zamanlı ürün geliştirme süreçleri uygulanmaktadır. Eş zamanlı ürün geliştirme yaklaşımı;
pazar ve müşteri ihtiyaçlarını karşılayacak yüksek kaliteli, düşük maliyetli ürünlerin tasarımı,
üretimi ve geliştirilmesi için kullanılan bir metodolojidir [19]. Bu yaklaşım, fikir aşamasından
ürünün pazara sunumuna kadar bütün ürün geliştirme süreçlerinde; işletmenin ana bölümlerinin,
müşterilerin ve tedarikçilerin de işbirliği ile ürün geliştirme faaliyetlerinin gerçekleştirilmesini
sağlar [20-24]. Eş zamanlı mühendislik, ürün geliştirme çalışmalarında çapraz fonksiyonel
ekiplerin kullanılmasını, ekip üyelerinin ürün geliştirme prosesinin erken aşamalarında
katılımının sağlanmasını ve ürün geliştirme süreçlerinin paralel olarak çalışmasını öngörmektedir
[25]. Şekil 2’ de, eş zamanlı ürün geliştirme yaklaşımının aşamaları yer almaktadır.
Pazarlama
Geliştirme
Üretim
Satış
Servis
Şekil 2. Eş Zamanlı Ürün Geliştirme Yaklaşımı [16]
Küresel ekonomilere ve yeni pazarlara ürün sunma gerekliliği, organizasyonların
yeniden yapılanması ve faaliyetlerin yeniden düzenlenmesi zorunluluğu, yeni ürün geliştirme
süresinin kısaltılması gereği, yeni teknolojilerin ortaya çıkması ve bunlara olan gereksinimin
artması, müşteri beklentilerinin artması, ileri teknoloji ürünlerinin kullanılması ve bu ürünlerin
karmaşıklığı, çevre bilincinin giderek önem kazanması, ürünlerin geri dönüşümlerinin tasarımda
37
Sigma 28, 35-48, 2010
dikkate alınması gereği, uluslararası yasal düzenlemelerin yapılması ve ülkeler arası ekonomik
işbirliği, işletmeleri, modern ürün geliştirme metodolojisi olan eş zamanlı mühendisliği
uygulamaya zorlayan nedenler olarak sıralanabilir [22,26-29].
Ürün tasarım süreçleri ve üretim sistemlerinin tasarımının eş zamanlı olarak
gerçekleştirilmesi ile bir projenin bütün olarak tamamlanma zamanı kısalmakta, maliyetler
azalarak işletme daha rekabetçi bir hale gelmekte, ekip halinde çalışma, kalite ve performans
hedeflerine ulaşmayı sağlamaktadır [1,6,7,10-12,30-32]. Eş zamanlı mühendislik, müşteri
odaklılığı ve ürünün kaliteli olmasını sağladığı için toplam kalite yönetimi ile uyumlu bir
yaklaşımdır [23,24].
3. ÜRÜN GELİŞTİRME STRATEJİLERİ
Strateji, bir işletmenin, varlığını sürdürebilmesi ve amaçlarına ulaşabilmesi için nasıl rekabet
etmesi gerektiğini belirler. Bu nedenle ürün geliştirme stratejileri, işletmenin rekabet gücünün
belirlenmesinde önemli bir faktördür. Strateji, işletmeyi bütünleştiren, kararlarda tutarlılık
sağlayan ve işletmeyi doğru hedefe yönelten ortak görüştür [33,34]. İşletmenin temel amaçlarını,
politikalarını ve hareket sırasını gösteren uzun süreli bir plan olarak da tanımlanmaktadır [22,35].
Stratejiler belirlenirken; zaman, teknolojik değişim, küreselleşme, fiyat, pazarlama, ürün
farklılaştırma ve strateji tipleri dikkate alınır [36]. Ürün geliştirme stratejileri, işletme kaynakları
ile çevre faktörlerinin uyumunu sağlar [34]. Bu stratejiler, ürün geliştirme performansını
etkilediğinden, uygun ürün geliştirme stratejilerinin doğru seçilmesi gerekir [35,37]. İşletmelerde
uygulanmakta olan ürün geliştirme stratejileri; yeni ürün kararlarının akışı ile pazar dinamikleri,
ürün yaşam çevrimi ve organizasyonun kapasitesine bağlıdır [28,38]. Ürün geliştirme stratejileri
belirlenirken; kaynakların yeterliliği, üretim teknolojilerindeki gelişmeler, firmalar arası rekabet,
yeni ürünlere yapılan yatırımların geri dönüşü (Return on investment-ROI), müşteri desteği ve
memnuniyeti, mevcut kaynakların kullanımı göz önünde bulundurulur [39,40].
Ürün geliştirme performansı yüksek işletmeler, rakiplerinden daha kısa sürede ve daha
az maliyetle yeni ürün geliştirmektedir [35,37]. Yeni ürünler, işletmenin pazardaki rekabet
avantajını artırarak, stratejik yönünü güçlendirmekte; müşterilerin rakip işletmelere kaymasını
önleyerek satış başarısı sağlamaktadır [33-35]. İşletmeler yeni ürünler geliştirerek bulundukları
pazarlarda büyümeye çalışmaktadır. Bazı araştırmalar işletmelerin yüksek performans için birden
fazla strateji kullandıklarını göstermiştir. Ürün geliştirme stratejilerinin 4 temel amacı vardır
[13,40]:
* Mükemmel kalitede ürün geliştirmek,
* Organizasyondaki görevlerin koordinasyonunu sağlamak,
* Ürün geliştirme süreçlerinin performansını artırmak,
* Rekabette uzun dönemli avantajlar sağlamak,
Ürün geliştirme stratejileri reaktif ve proaktif stratejiler olarak ikiye ayrılmaktadır
[34,39,41]. Proaktif stratejileri uygulayan işletmelerin en önemli özellikleri, çevrelerindeki
değişimleri tahmin etmeleri ve bunları rakiplerinden önce davranarak fırsatlara dönüştürmeleridir.
Reaktif stratejileri izleyen işletmeler ise, değişimi başlatan değil, değişimlere ayak uydurmaya
çalışan işletmelerdir [35,39]. Proaktif ürün geliştirme stratejisini uygulayan firmalar, teknolojik
yeniliklerin adaptasyonunda, genellikle reaktif ürün geliştirme stratejilerini uygulayan firmaların
önünde olacaktır. Bu yüzden proaktif stratejileri takip eden organizasyonlar, reaktif stratejileri
takip eden firmalardan daha iyi konumdadır [42].
38
Sigma 28, 35-48, 2010
3.1. Proaktif Ürün Geliştirme Stratejileri
Strateji ve stratejideki değişiklikler, organizasyonların yeteneklerini ortaya çıkarmakta ve bir
kalıba sokmaktadır. Yeteneklere sahip olmak, teknolojik yenilik adaptasyonu için gereklidir.
Bununla birlikte, firmanın yeteneklerini değiştirmek, yönetimden ve stratejileri belirlemekten
daha zordur. Firmalar, yenilik adaptasyonunda ihtiyaç duyulan kaynaklar üzerindeki rakip
istekler hakkında karar verme olayının yasal bir tabana sahip olması için, oldukça tutarlı ve kabul
edilebilir bir stratejiye ihtiyaç duymaktadırlar [42].
Proaktif ürün geliştirme stratejisi, bir işletmenin çevresinde olan fırsatları araştırmasını,
kendine yeni fırsatlar yaratmasını ve bu fırsatları kendi lehine kullanarak yeni ürün ve prosesler
geliştirmesini sağlamaktadır [43]. Böylece, bu strateji işletmelerin rekabet avantajı elde etmeleri
için, gerekli vizyonu ve bakış açısını sağlar [44]. Proaktif ürün geliştirme stratejisini benimseyen
işletmelerde, ürün geliştirme çalışmalarında yaratıcılığın teşvik edilmesi ve risklerin göze
alınması önemlidir [34,39,45].
Proaktif ürün geliştirme stratejilerinin kullanılması, eş zamanlı ürün geliştirme
yaklaşımının başarısını ve ürün geliştirme performansını pozitif yönde etkilemektedir [39,46-48].
Ürün geliştirme çalışmalarında bir araç ve teknik olarak QFD metodolojisinin kullanılması,
firmalarda reaktif ürün geliştirme stratejileri yerine proaktif ürün geliştirme stratejilerinin
kullanımını teşvik etmektedir.
Proaktif ürün geliştirme stratejilerinin kullanımı; daha az ve daha erken dizayn
değişiklikleri, ürün geliştirme süresinin kısaltılması, daha az başlangıç problemleri, daha düşük
başlangıç maliyetleri, daha az saha problemleri, ve daha çok tatmin edilmiş müşteri ile
sonuçlanmaktadır [49]. Bu stratejiler, işletmelerin ürün geliştirme performanslarının
artırılmasında büyük öneme sahiptir [50]. Proaktif ürün geliştirme stratejileri kendi içinde; Ar-Ge
esaslı (R&D based), girişimci (entrepreneurial), satın almacı (acquisitive) ve pazar esaslı (market
based) olmak üzere dört kısımda incelenmektedir [51,52].
3.2. Reaktif Ürün Geliştirme Stratejileri
Reaktif stratejileri uygulayan işletmeler; rakiplerin davranışlarını inceleyerek, bekle-gör mantığı
ile hareket ederek, müşteri tepkilerine göre davranan işletmelerdir [34,48]. Reaktif ürün geliştirme
stratejisine sahip olan işletmelerde sistemin geliştirilmesinde yönlendirici güçler müşterilerdir. Bu
müşteriler, işletme ile yakın işbirliği içinde olmak istemektedirler. Mevcut sistem için yeni
fonksiyonlar ve alt modüllerin geliştirilmesi, üründe var olmayan parça için talebi olan özel
müşterilerle yakın işbirliğinde bulunarak ortaya çıkmaktadır. Bu stratejiye sahip olan işletmeler,
girişimci iş kültürü ile karakterize edilmekte ve yenilikler, satış toplantılarında ve şirket
çalışanları ve müşterilerin katılımlarının olduğu uygulama projelerinde ortaya çıkmaya
başlamaktadır [53].
Reaktif stratejiler; savunmacı (defensive), tepkisel (responsive), taklitçi (imitative) ve
ikincil fakat daha iyi (second but better) olmak üzere dört kısımda incelenmektedir [39,51,54]
Şekil 3’te reaktif ürün geliştirme stratejileri gösterilmektedir.
Kullanıcı
Üretici
Tepkisel/Cevabi
İkincil Fakat Daha iyi
Üretici
Rakipler/Rekabet
Rakipler/Rekabet
Taklitçi
Savunmacı
Rakipler/Rekabet
Şekil 3. Reaktif Ürün Geliştirme Stratejileri [34]
39
Üretici
Üretici
Sigma 28, 35-48, 2010
Proaktif/reaktif ürün geliştirme stratejilerini uygulayan firmaların özellikleri Çizelge
1’de görülmektedir.
Çizelge 1. Proaktif/Reaktif Ürün Geliştirme Stratejilerini Uygulayan Firmaların Özellikleri [41]
Proaktif Stratejileri uygulayan firmalar
Reaktif Stratejileri uygulayan firmalar
Yeni ürün ve yeni pazarlarda büyümeye
odaklanır
Var olan ürüne odaklanır
Patent sayısını artırmaya çalışır
Mevcutları korumaya çalışır
Pazarı ve pazar şartlarını kendisi belirler
Küçük yenilikler yapar
Küresel pazarda daha çok pay elde etmeye
çalışır
Küçük pazarlarda rekabet etmeye çalışır
Rekabet için önemli miktarda kaynak ayırır
Fazla harcama yapmadan rekabete çalışır
4. TÜRK SERAMİK SEKTÖRÜ
Dünyada rekabetin en yoğun olduğu sektörlerden bir tanesi de seramik sektörüdür. Dünya
genelinde 1980’li yıllardan itibaren seramik üretimi ve tüketimi hızla artmıştır. Bu gelişmenin
temel nedenleri; dünya nüfusunun hızlı ve sürekli olarak artması ve inşaat sektöründe seramik
malzemelerin kullanımının yaygınlaşmasıdır. Seramik malzemelerin daha kullanışlı, dayanıklı,
sağlıklı ve dekoratif olması gibi nedenlerle seramik tüketimi moda haline gelmiştir [55].
Ülkelerin ekonomik kalkınmışlıkları ve kişi başına düşen milli geliri, ekonomilerinin
güçlü olması ile doğrudan bağlantılıdır. Üretilen ürünlerin dünya pazarlarına ihraç edilmesi,
ekonomik kalkınma için çok önemlidir. Türk seramik sektörünün başarısı ülke ekonomisi
açısından önemli bir yere sahiptir [56]. Son yıllarda çok hızlı büyüme gösteren seramik
sektörünün, teknolojinin hızlı ilerlemesine paralel olarak araştırma ve teknolojik ihtiyaçları da
hızlı bir şekilde artmaktadır. Bu nedenle sektörün, gelişimini sürdürebilmesi ve rekabette ön
sıralara yerleşebilmesi için, ürün geliştirme çalışmalarına daha çok önem verilmesi ve
sorunlarının giderilmesi gerekmektedir [57]. Seramik sektörü, 60 üretici firma ile faaliyetlerini
sürdürmekte, son yıllarda artan üretim kapasitesi ve ihracat olanaklarıyla özellikle seramik
kaplama malzemeleri ve sağlık gereçleri alt sektörü ile dünyadaki rakipleri ile rekabet
edebilmektedir [56]. Kurulu kapasite miktarları, ürün kalitesi ve ürün çeşitliliği gibi faktörler göz
önüne alındığında, Türk seramik sektörü içinde en gelişmiş alt sektörler; kaplama malzemeleri,
sağlık gereçleri, sofra ve süs eşyaları, teknik seramiklerdir [58]. 1972 yılında toplam üretim 1
milyon metrekare dahi değilken, 2008 yılı itibarı ile toplam 360 milyon metrekare yer karosu, 23
milyon adet sağlık gereci üretimi gerçekleştirilmiştir [59].
2007–2013 yıllarını kapsayan Dokuzuncu Kalkınma Planları’nda belirtildiğine göre,
Türk seramik sektörünün, seramik kaplama malzemeleri üretimini 600 milyon m2 ve toplam
ihracatını 2,7 milyar dolara çıkararak, dünyada ilk 5 ve Avrupa’da ilk 2 arasında olması
öngörülmektedir [56]. Bu sektörün yükselişinde, ürün geliştirmeye verilen önemin yanı sıra,
üretim teknolojisine sürekli yatırım stratejisinin de büyük payı vardır. Seramik kaplama
malzemeleri ve seramik sağlık gereçleri alanında ürün yelpazesini genişleten ve dünya
pazarlarındaki rekabet ortamının koşullarına göre yenileme esnekliğini kazanan Türk seramik
firmaları, ürün tasarımında rekabeti artıracak bir "Türk Markası" oluşturma noktasına gelmiştir
[60]. Türkiye'nin dış pazarlarda rekabet özelliklerini değerlendirmeye yönelik proje araştırma
40
Sigma 28, 35-48, 2010
sonuçları (Competitive Advantage of Turkey-CAT), seramik sektörünü Türkiye'nin yurt dışında
rekabet edebilir ilk altı sektörü arasında göstermiştir [61].
Orta Anadolu Çimento ve Toprak Ürünleri İhracatçıları Birliği kayıtlarına göre 2008
yılında seramik sektörü ihracat kaydı bir önceki yıla göre miktar bazında %8 azalarak, değer
bazında ise %5 artış göstererek 1,6 milyon ton ve 862 milyon $ seviyesinde gerçekleşmiştir. 2008
yılı içerisinde seramik sektöründe en çok ihracat gerçekleştirilen ülkeler Almanya, İngiltere,
İsrail, Fransa ve Romanya olmuştur. Seramik sektörünün 2008 yılı Türkiye geneli ihracat kaydı
ise %7 oranında artışla 927 milyon $ olmuştur. Seramik kaplama malzemeleri ihracatı bir önceki
yıla göre miktar bazında %7 azalmış, değer bazında ise %6 artış kaydederek 495 milyon $
olmuştur. Seramik kaplama malzemelerinde en çok ihracat kaydı Almanya, İngiltere, İsrail,
Kanada ve Romanya’ya gerçekleştirilmiştir. Türkiye geneli seramik kaplama malzemeleri ihracat
kaydı ise %8 oranında artışla 525 milyon $ olmuştur. Birlik kayıtlarına göre, 2008 yılında 90,1
milyon m² karo ve fayans ihracat kaydı yapılmıştır. Seramik sağlık gereçleri ihracat kaydı ise
miktar ve değer bazında %15’er oranda azalarak 97 bin ton ve 165 milyon $ seviyesinde
gerçekleşmiştir. Söz konusu mal grubunda en fazla ihracat kaydı yapılan ülkeler sırasıyla
İngiltere, Almanya, Fransa, İtalya ve İspanya’dır. Türkiye geneli seramik sağlık gereçleri ihracat
kaydı ise %12 azalarak 180 milyon $ olmuştur. Birlik kayıtlarına göre, 2007 yılında 7,7 milyon
adet vitrifiye ihracat kaydı yapılmıştır.
Çimento ve toprak ürünleri sektöründe 2008 yılı kümülatif bazda görülen ihracat artışı,
değerlendirme yaparken aldatıcı sonuçlar verebilir. Türkiye’nin çimento, seramik ve cam
sektörleri ihracatında, yılın ilk sekiz ayına kıyasla Eylül ayından itibaren düşüş yaşanmaya
başlamıştır. Aralık ayında seramik sektörü ihracatında ise seramik kaplama malzemelerinde %32,
seramik sağlık gereçlerinde %29 olmak üzere sektör toplamında %30 düşüş yaşanmıştır [62]. Alt
mal grupları bazında seramik ürünleri ihracat rakamları 2009 yılı Ocak ayında 48.345.584,89 $
seviyesinde gerçekleşirken bu rakam aynı yılın Şubat ayı itibarı ile 47.345.589,28 $ olmuştur
[63].
5. ARAŞTIRMA METODOLOJİSİ
5.1. Örnek Verilerin Toplanması
Ülkelerin ekonomik kalkınmışlıkları ve kişi başına düşen milli geliri, ekonomilerinin güçlü
olması ile doğrudan bağlantılıdır. Üretilen ürünlerin dünya pazarlarına ihraç edilmesi, ekonomik
kalkınma için çok önemlidir. Bu bağlamda, Türk seramik sektörünün başarısı ülke ekonomisi
açısından önemli bir yere sahiptir. Türk seramik sektörü, küresel rekabetin yoğun olduğu,
değişimin ve gelişimin sürekli olduğu, müşteri tercihlerinin hızlı değiştiği, ürün yaşam çevriminin
hızlı olduğu önemli sektörlerden bir tanesidir. Bu nedenle, eş zamanlı ürün geliştirme yaklaşımını
uygulayan ve uygulamayan firmaların ürün geliştirme stratejilerinin değerlendirilmesi amacıyla,
saha araştırması kapsamında yapılan anket çalışmasına seramik sektöründe yer alan firmalar dâhil
edilmiştir. Bu firmalara ait bilgiler, Sanayi ve Dış Ticaret Müsteşarlığından ve Seramik
Federasyonundan (Serfed) elde edilmiştir. Ana kütlenin tamamı 60 firmadan oluşmaktadır. Bu
firmalardan 52 tanesi anket çalışmasına katılma talebine olumlu cevap vermiş ve saha çalışması
kapsamında incelenmiştir. Anket uygulanan firmaların 28 tanesi kaplama malzemeleri, 16 tanesi
sağlık gereçleri, 4 tanesi sofra ve süs eşyaları ve 4 tanesi teknik seramikler alanında faaliyet
göstermektedir.
Anket verileri, 50 firmadan yüz yüze görüşme yöntemi ile 2 firmadan da faks yoluyla
toplanmıştır. Elde edilen veriler SPSS 15.0 istatistik programı kullanılarak değerlendirilmiştir.
Değerlendirme kapsamında, tek yönlü MANOVA ve kümeleme analizi yapılmıştır. Örneğe ait
özellikler Çizelge 2. de görülmektedir.
41
Sigma 28, 35-48, 2010
Çizelge 2. Ankete Katılan Firmaların Özellikleri
Faaliyet Süresi
(Yıl)
1–5
3
Faaliyet Alanı
Kaplama Malzemeleri
Çalışan Sayısı
28
1–49
6
6–10
9
Sağlık Gereçleri
16
50–99
2
11–15
20
Sofra ve Süs Eşyaları
4
100–249
10
16–20
5
Teknik Seramikler
4
250–499
17
21–25
2
500–749
7
26–30
4
750–999
2
31–35
4
1000–1499
4
36–40
3
1500 den fazla
4
40 dan Fazla
2
Toplam
firma sayısı
52
52
52
Çizelge 2 incelendiğinde, ankete katılan firmalardan 20 tanesinin en az 20 yıldır, 20
tanesinin de 11–15 yıldır sektörde faaliyette bulunduğu görülmektedir. Bu firmaların, 28’i
kaplama malzemeleri 16’sı sağlık gereçleri, 4’ü sofra ve süs eşyaları, 4’ü de teknik seramikler
alanında faaliyet göstermektedir. Aynı çizelgede, ankete katılan 17 firmanın 250–499 arasında
çalışanının bulunduğu, 8 firmanın ise 1000’den fazla çalışanının bulunduğu görülmektedir. Buna
göre, sektördeki firmaların büyük çoğunluğunun DİE ve KOSGEB kriterlerine göre büyük ölçekli
firmalar olduğu gözlemlenmektedir.
5.2. Ankette Kullanılan Ölçekler
Ürün geliştirme stratejileri; proaktif stratejiler için altı, reaktif stratejiler için altı olmak üzere
toplam on iki soruluk, eş zamanlı ürün geliştirme yaklaşımı ise altı soruluk bir ölçekle
değerlendirilmiştir. Ürün geliştirme stratejileri ve eş zamanlı ürün geliştirme yaklaşımı
ölçeklerinin cevaplandırılmasında, (1) kesinlikle katılmıyorum, (2) katılmıyorum, (3)kararsızım,
(4) katılıyorum, (5) tamamen katılıyorum şeklinde 5’li likert ölçeği kullanılmıştır.
5.3. Kümeleme Analizi ve Tek Yönlü MANOVA Analizi Sonuçları
Saha araştırmasından elde edilen verilerin değerlendirilmesi aşamasında ilk olarak, eş zamanlı
ürün geliştirme yaklaşımı için geliştirilen ölçekler kullanılarak kümeleme analizi yapılarak eş
zamanlı mühendislik yaklaşımını uygulayan firmalar (1.0) ve uygulamayan firmalar (2.0)
sınıflandırılmıştır. Kümeleme analizi sonuçları Çizelge 3’te görülmektedir. Çizelgeye göre,
ankete katılan firmaların büyük bir çoğunluğu eş zamanlı mühendislik yaklaşımını
uygulamaktadır.
Çizelge 3. Kümeleme Analizi
Eş Zamanlı Ürün Geliştirme Yaklaşımı
Firma Sayısı
Uygulamayan Firmalar (1.0)
16
Uygulayan Firmalar (2.0)
36
42
Sigma 28, 35-48, 2010
Kümeleme analizinden sonra, eş zamanlı ürün geliştirme yaklaşımını kullanan
firmaların, proaktif ve reaktif ürün geliştirme stratejilerinden hangisini etkin olarak uyguladığının
tespitine yönelik olarak tek yönlü MANOVA analizi yapılmıştır. Bu analizde, eş zamanlı
mühendislik yaklaşımına bağımsız değişken, proaktif ve reaktif ürün geliştirme stratejilerine
bağımlı değişken olarak yer verilmiştir.
MANOVA analizinde gerekli olan, gruplar boyunca bağımlı değişkenlerin kovaryans
matrislerinin eşit olduğu varsayımını test etmek için Box’s M testi kullanılır. Buradaki anlamlılık
(Sig.) değeri 0.05’ten küçük ise MANOVA testi için temel varsayım olan kovaryans eşitliğinin
sağlanmadığı ifade edilir [64]. Çizelge 4 incelendiğinde, sig. değeri 0.05’ten büyük (0,294)
olduğu için temel varsayım olan kovaryans eşitliğinin sağlandığı gözlenmektedir.
Çizelge 4. Kovaryans Eşitliği Test Sonuçları
Box's M
3.932
F
1.239
df1
3
df2
17371.492
Sig.
.294
Levene Testi, bir diğer varsayım olan, bağımlı değişkenlerdeki, gruplar arası varyans
eşitliği şartını test eder. Anlamlılık (Sig.) değeri 0.05’ten büyük ise, o bağımlı değişken için
varyans eşitliği sağlanmıştır sonucuna varılır [64]. Çizelge 5 incelendiğinde, Sig. değerleri
0.05’ten büyük olan proaktif ve reaktif ürün geliştirme stratejileri değişkenlerinin her biri için
varyans eşitliğinin sağlanmış olduğu görülmektedir.
Çizelge 5. Levene Testi Sonuçları
F
df1
df2
Sig.
PRST
.288
1
50
.594
REST
1.788
1
50
.187
PRST: Proaktif ürün geliştirme stratejisi
REST: Reaktif ürün geliştirme stratejisi
Çizelge 6’da bağımlı ve bağımsız değişkenler için ortalama, standart sapma ve
örneklem büyüklüğü değerleri yer almaktadır. Ortalama değerlere bakıldığında, eş zamanlı
mühendislik yaklaşımını uygulayan firmalarda proaktif ürün geliştirme stratejisinin ( ortalama=
3.9889) daha etkili olarak kullanıldığı görülmektedir.
43
Sigma 28, 35-48, 2010
Çizelge 6. Tanımlayıcı İstatistikler
EÜGY
PRST
REST
Ortalama
Standart
sapma
.65676
Örneklem
Büyüklüğü
16
1.00
3.4750
2.00
.53226
36
Toplam
3.9889
3.8308
.61534
52
1.00
3.5938
.44292
16
2.00
3.6942
3.6633
.64290
36
.58612
52
Toplam
1.0: Eş zamanlı mühendislik yaklaşımını uygulamayan firmalar
2.0: Eş zamanlı mühendislik yaklaşımını uygulayan firmalar
PRST: Proaktif ürün geliştirme stratejisi
REST: Reaktif ürün geliştirme stratejisi
EÜGY: Eş zamanlı ürün geliştirme yaklaşımı
Çizelge 7’de, çoklu karşılaştırma test sonuçları görülmektedir. Bu çizelgede, genellikle
Sig. kolonuna bakılır. Bu kolonda da Wilk’s Lambda değeri tercih edilir. Bu çizelgede, Sig.
değeri 0.05’ten küçük olduğunda, gruplar arası farklılık vardır sonucuna varılır [64]. Çizelge 7
incelendiğinde, sig. değeri 0.05’ten küçük (0,014) olduğu için, eş zamanlı ürün geliştirme
yaklaşımının kullanılmasının ürün geliştirme stratejilerini etkilediği görülmektedir ve bu çizelge,
ortalama değerlere göre yapılan yorumu da desteklemektedir.
Çizelge 7. Çoklu Karşılaştırma Test Sonuçları
Değer
F
Anlamlılık
(sig.)
Kısmi Eta
Kare
Pillai's Trace
.987
1864.623(a)
.000
.987
Wilks' Lambda
.013
1864.623(a)
.000
.987
Hotelling's Trace
76.107
1864.623(a)
.000
.987
Roy's Largest Root
76.107
Etki
Kesişme
EÜGY
1864.623(a)
.000
.987
Pillai's Trace
.160
4.650(a)
.014
.160
Wilk’s Lambda
.840
4.650(a)
.014
.160
Hotelling's Trace
.190
4.650(a)
.014
.160
Roy's Largest Root
.190
4.650(a)
.014
.160
Eş zamanlı ürün geliştirme yaklaşımının uygulanması ile proaktif veya reaktif ürün
geliştirme stratejilerinin kullanımı arasında anlamlı bir ilişkinin olup olmadığını incelemek için
tek yönlü MANOVA analizi sonuçları (Çizelge 8) kullanılmaktadır. Çizelge 8 incelendiğinde, eş
zamanlı ürün geliştirme yaklaşımı uygulaması ile proaktif ürün geliştirme stratejilerinin
kullanılması arasında anlamlı bir ilişkinin ortaya çıktığı (sig=0,004) ancak reaktif ürün geliştirme
stratejilerinin kullanılması arasında anlamlı bir ilişkinin ortaya çıkmadığı (sig=0.574>0.05)
gözlemlenmektedir. Bu sonuç, saha araştırmasında yer alan firmalardan eş zamanlı ürün
44
Sigma 28, 35-48, 2010
geliştirme yaklaşımını kullananların, etkili olarak proaktif ürün geliştirme stratejilerini uyguladığı
şeklinde yorumlanabilir.
Çizelge 8. Tek Yönlü MANOVA Analizi Sonuçları
Kaynak
Bağımlı
Değişken
Serbestlik
derecesi (df)
Ortalam
a kare
F
Anlamlılık
(sig.)
Kısmi Eta
Kare
Düzeltilmiş
Model
PRST
1
2.925
8.926
.004
.151
REST
1
.112
.321
.574
.006
Kesişme
PRST
1
617.09
1883.03
.000
.974
REST
1
588.33
1689.76
.000
.971
EÜGY
PRST
1
2.925
8.926
.004
.151
1
50
.112
.328
.321
.574
.006
Hata
REST
PRST
REST
50
.348
PRST
52
REST
52
PRST
51
REST
51
Toplam
Düzeltilmiş
Toplam
6. SONUÇ VE DEĞERLENDİRME
Türk seramik sektöründe faaliyet gösteren ve eş zamanlı ürün geliştirme yaklaşımını uygulayan
ve uygulamayan firmaların ürün geliştirme stratejilerinin değerlendirilmesi amacıyla yapılan saha
araştırmasından elde edilen bulgulardan, proaktif ürün geliştirme stratejisinin, eş zamanlı
mühendislik yaklaşımını uygulayan firmalarda daha etkili olarak kullanıldığı sonucu elde
edilmiştir. Buradan elde edilen sonuçlar, Di Benedetto (1999), Nijssen ve Frambach (2000)
tarafından yapılan araştırmaların sonuçları ile paralellik göstermektedir.
Sektörde, eş zamanlı ürün geliştirme yaklaşımını uygulayan ve proaktif ürün geliştirme
stratejisini benimseyen firmaların, Ar-ge çalışmalarına bütçelerinden daha fazla kaynak
ayırdıkları, ürün geliştirme çalışmalarına profesyonelce yaklaştıkları, bu amaçla özel ürün
geliştirme ekipleri oluşturdukları ve gerektiğinde ürün geliştirme konusunda uzman firmalardan
danışmalık hizmetleri aldıkları, yeni ürün geliştirme için gerekli ortalama sürenin daha kısa
olduğu, piyasaya daha sıklıkla yeni ürün sundukları ve son 3 yılda geliştirdikleri ürün sayısının
daha yüksek olduğu tespit edilmiştir.
Bu bulgular, söz konusu firmaların; pazar paylarının daha da artacağı, müşterilerinin
istek ve beklentilerini kısa sürede ve en doğru şekilde ürün geliştirme prosesine yansıtabilecekleri,
ürünlerini daha kısa sürede geliştirerek rakiplerinden önce pazara sunabilecekleri, ürün geliştirme
çalışmalarında harcadıkları çabaların karşılığını daha kısa sürede fazlasıyla kazanacakları ve
pazarda lider olma yolunda önemli bir avantaj elde edecekleri şeklinde yorum yapmamızı
mümkün kılmaktadır. Konu ile ilgili olarak sektörel bazda ortaya çıkan bu sonuçlar, özellikle
seramik sektöründe faaliyet gösteren uygulamacılara ve araştırmacılara yol gösterici olacaktır.
45
Sigma 28, 35-48, 2010
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
Reinertsen, G.D., “Managing the Design Factory”, The Free Press, New York, USA,
1997.
Tang, D., Eversheim, W., Schuh, G., “A New Generation of Cooperative Development
Paradigm in the Tool and Die Making Branch: Strategy and Technology”, Robotics and
Computer Integrated Manufacturing, 20, 304-311, 2004.
Di Benedetto, C.A., “Identifying The Key Success Factors In New Product Launch”,
Journal of Production Innovation Management, 16, 533-539, 1999.
Gonzalez, J.M.F., Palacios, M.B.T., “The Effect of New Product Development
Techniques on New Product Success in Spanish Firm”, Industrial Marketing
Management, 31, 263-269, 2002.
Akyüz, B., Yayla, A.Y., “Tasarımda DFX Metodolojileri”, 1.Uluslararası Mesleki ve
Teknik Eğitim Teknolojileri Kongresi–MTET2005, Istanbul, 5-7, Eylül (2005), 10881093.
Anderson, D.M., “Agile Product Development for Mass Customization”, McGraw-Hill
Companies, Inc., New York, USA, 1998.
Prasad, B., “Concurrent Engineering Fundamentals”, Volume I, Prentice-Hall, Inc., New
Jersy, USA, 1996.
Sekine, K., Arai, K., “Design Team Revolution”, Productivity Press, Portland, Oregon,
USA, 1994.
Vonderembse, M.A., Raghunathan, T.S., “Quality Function’s Impact on Product
Development”, International Journal of Quality Science, 2,4, 253-265, 1997.
Baylis, C., “Simultaneous Engineering”, World Class Design to Manufacture, Vo1, No.1,
17-20, 1994.
Fleischer, M., Liker, K.J., “Concurrent Engineering Effectiveness”, Hanser Gardner
Publications, Cincinnati, USA, 1997.
Salomone A.T., “Concurrent Engineering”, Marcel Dekker, Inc., New York, USA, 1995.
Wright, P.R., “Top Managers’ Strategic Cognitions of the Strategy Making Process:
Differences Between High and Low Performing Firms”, Journal of General Management,
Vol: 30, No.1.63-71, 2004.
Eppinger, S.D., Chitkara, A.R., “The New Practice of Global Product Development”,
MIT Sloan Management Review, 47, 4, 22-30, 2006.
Minderhoud, S., Fraser, P., “Shifting Paradigms of Product Development in Fast and
Dynamics Markets”, Reliability Engineering and System Safety, 88, 130-133, 2005.
Berden, P.J.T., Brombacher, A.C., Sander P.C., “The Building Bricks of Product Quality:
An Overview of Some Basic Concepts and Principles”, International Journal of
Production Economics, 87, 3-15, 2000.
Thomas, R.J., “New Product Development”, John Wiley & Sons, Inc. New York, USA,
1993.
Hörte, A.S., “CPDR on Innovation and Product Development”, Centre for Product
Development Research- CPDR, Halmstad, Sweden, 2006, 1-154.
Otto, N. K., Wood, L.K., “Product Design”, Prentice Hall Inc., USA, 2001.
Ainscough, M., Neaily, K., Tennant, C., “A Self-Assessment Tool for Implementing
Concurrent Engineering Through Change Management”, International Journal of Project
Management, 21, 426-430, 2003.
Priest, W.J., Sanchez, M.J., “Product Development and Design for Manufacturing”,
Marcel Dekker, Inc., New York, USA, 2001.
Raturi, A. S., Evans, J.R., “Principles of Operations Management”, Thomson, South
Western, USA, 2005.
Shunk, L.D., “Integrated Process Design and Development”, Richard D.Irwın, Inc., 1992.
46
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
[32]
[33]
[34]
[35]
[36]
[37]
[38]
[39]
[40]
[41]
[42]
[43]
[44]
[45]
[46]
Sigma 28, 35-48, 2010
Swink, L. M., “A Tutorial on Implementing Concurrent Engineering in New Product
Development Programs”, Journal of Operations Management, 16, 103-125, 1998.
Koufteros, X., Marcoulides, A.G., “Product Development Practices And Performance: A
Structural Equation Modeling-Based Multi-Group Analysis”, International Journal of
Production Economics, Vol.103, Issue.1, 290-297, 2006.
Driva, H., Pawar, K.S., Menon, U., “Measuring Product Development Performance in
Manufacturing Organizations”, International Journal of Production Economics, 63, 147148, 2000.
Hartley, J.R., “Concurrent Engineering”, Productivity Press, New York, USA, 1998.
Kumar, S., Phrommathed, P., “New Product development”, Springer, New York, USA,
2005.
Kusar, J., Duhovnik, J., Grum, J., Starbek, M., “How to Reduce New Product
Development Time”, Robotics and Computer Manufacturing, 20, 2-6, 2004.
Chase, B.R., Aquilano, J.N., Jacobs, F.R., “Operations Management for Competitive
Advantage”, Eleveth Ed., McGraw-Hill Companies, Inc., New York, USA, 2006.
Maylor, H., “Concurrent New Product Development: An Empirical Assessment”,
International Journal of Operations & Production Management, Vol.17, No.12, 11961214, 1997.
Sipper, D., Bulfin, R.L., “Production, Planning, Control and integration”, McGraw-Hill
Companies, Inc., New York, USA, 1997.
Rundquist, J., Chibba, A., “The use of Processes and Methods in NPD- a Survey of
Swedish Industry”, International Journal of Innovation and Technology Management”,
Vol.1, No: 1, 37-54, 2004.
Urban G.L., Hauser, J.R., “Design and Marketing New Products”, Prentice-Hall,
Englewood Cliffs, New Jersey, 1980.
Kahn, B.K., “The PDMA Handbook of New Product Development”, John Wiley& Sons,
Inc., New Jersey, USA, 2005.
March-Chorda, I., Gunasekaran, A., Lloria-Aramburo, B., “Product Development in
Spanish SMEs an Empirical Research”, Technovation, 22, 301-312, 2002.
Sohal, S.A., Gordon, J., Fuller, G., Simon, A., “Manufacturing Practices and Competitive
Capability: An Australian Study”, Technovation, 19, 295-299, 1999.
Heizer, J., Render, B., “Operations Management”, Pearson Prentice Hall, 7th Edition,
New Jersey, USA, 2004.
Gilbert, J.T., “Choosing an Innovation Strategy: Theory and Practice”, Business
Horizons, Vol.37, Iss: 6, Nov/Dec, 16-25, 1994.
Wheelwright, C.S., Clark, B.K., “Revolutionizing Product Development” The Free Press,
New York, USA, 1992.
Barclay, I, Dann, Z., Holroyd, P., “New Product Development”, CRC Press, New York,
USA, 2000.
Tzokas, N., Saren, M., “Building Relationship Platforms in Consumer Markets: A Value
Chain Approach”, Journal of Strategic Marketing, Volume 5, Issue 2, 105-120, 1997.
Lumpkin, G.T., Dess, G.G., “Clarifying the Entrepreneurial Orientation Construct and
Linking it to Performance”, Academy of Management Review, 21, 1, 135-172, 1996.
Entrialgo, M., Fernandez, E., Vazquez, C. J., “Linking Entrepreneurship and Strategic
Management: Evidence from Spanish SMEs”, Technovation, 20, 427- 436, 2000.
Wood, V. R., Robertson, K. R., “Strategic Orientation and Export Success: An Empirical
Study”, International Marketing Review, 14, 6, 424-444, 1997.
Cooper, G.R., Edgett, J.S., Kleinschmidt, E.J., “Improving New Product Development
Performance and Practices”, American Productivity & Quality Center –APQC, USA,
2003.
47
[47]
[48]
[49]
[50]
[51]
[52]
[53]
[54]
[55]
[56]
[57]
[58]
[59]
[60]
[61]
[62]
[63]
[64]
Sigma 28, 35-48, 2010
Hörte, A.S., “A Manufacturing Strategy Perspective on Product Development”, The
Second International Conference and Exhibition on computer integrated manufacturing,
Singapore, 6-10 September, 1-7, 1993.
Urban, G.L., “Digital Marketing Strategy” Pearson Education, Inc., New Jersey, 2004.
Rawlings-Quinn, R., “Quality Function Deployment (QFD): A Case Study”, PSTC
(Pressure Sensitive Tape Council)'s 25th Anniversary Technical Meeting, Atlanta,
Georgia, May, 2002, 1-3.
Poolton, J., Barclay, I.: “New Product Development from Past Research to Future
Applications”, Industrial Marketing Management, 27, 197-214, 1998.
Urban, G.L., Hauser, J.R., “Design and Marketing New Products”, Prentice-Hall Int.Inc.
2nd Edition, New Jersey, (1993).
Weir, K.A., Kochhar, A.K., Lebeau, S.A., Edgeley, D.G., “An Emprical Study of the
Alignment between Manufacturing and Marketing Strategies”, Elsevier Science Ltd.,
Long Range Planning, Vol. 33, 833-842, 2000.
Koch, C., “Innovation Networking Between Stability and Political Dynamics”,
Technovation, 24, 729-739, 2004.
Kotler, P., “Pazarlama Yönetimi”, (Çev: Nejat Muallimoğlu), Beta Basım A.Ş.,
Millennium Baskı, İstanbul, 2000.
Safel, R., “İnşaat Sektörü”, Türkiye Vakıflar Bankası A.O. Sektör Araştırmaları Serisi,
No: 21, Ekim, 9-30, 2000.
http://www.serfed.com [Erişim Tarihi: Ocak 21, 2007].
Kafalı, M.A.: “Seramik Yer ve Duvar Kaplamaları”, Türkiye Kalkınma Bankası A.Ş.
Sektörel Araştırmalar Müdürlüğü, Ankara, Mayıs , 2005, 1-60.
Dündar, S.O., “Seramik ve Sofra Süs Eşyası”, Türkiye Kalkınma Bankası A.Ş. Sektörel
Araştırmalar Müdürlüğü, Ankara, Aralık, 1-68, 2005.
http://www.boyutpedia.com [Erişim Tarihi: Mart 8, 2009].
http://www.tim.org.tr [Erişim Tarihi: Mart 18, 2007].
http://www.ihracatdunyasi.com [Erişim Tarihi: Ocak 22, 2007].
http://www.oaib.gov.tr [Erişim Tarihi: Mart 18, 2009].
http://www.tim.org.tr [Erişim Tarihi: Mart 3, 2009].
Kalaycı, Ş., “SPSS Uygulamalı Çok Değişkenli İstatistik Teknikleri”, Asil Yayın
Dağıtım, Ankara, Türkiye, 2005, 330,405.
48
Sigma 28,
Review Paper / Derleme Makalesi
MITIGATION
AND
UTILIZATION
TECHNOLOGIES
CONCENTRATION METHANE IN MINE VENTILATION AIR
49-65,
2010
OF
LOW
İzzet KARAKURT*, Gökhan AYDIN, Kerim AYDINER
Karadeniz Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Maden Mühendisliği Bölümü, TRABZON
ABSTRACT
Methane released from coal mines is an effective greenhouse gas in addition to its flammability even at lower
concentrations (5-15%). Drainage of the methane being available at coal seam/seams is possible by using
conventional methods prior to, during and after the mining. Drained methane may be utilized for various
purposes depending on its concentration. Low amount of methane that can’t be produced by drainage
methods, is released into atmosphere from mine exhaust as diluted by mine ventilation. The methane released
into atmosphere via mine exhaust, constitutes globally approximately 60-70% of the methane emissions from
underground coal mining although it has low concentrations. In recent years, attempts enabling the utilization
of low concentration methane released into atmosphere have gradually increased. These studies focused on the
oxidation of the methane are based on the use of the captured ventilation air as the principle or auxiliary fuel.
CO2 and heat released from the oxidation of methane, can also be utilized to produce energy, if meets the
demands. In this study, an assessment of mitigation and utilization technologies of low concentration
methane released into atmosphere from mine exhaust is presented. Additionally, a comparison of the
technologies is given from various aspects and some applications are mentioned.
Keywords: Methane, greenhouse gases, coal mine methane, mine ventilation.
OCAK HAVASINDAKİ DÜŞÜK KONSANTRASYONLU METANIN AZALTIM VE KULLANIM
TEKNOLOJİLERİ
ÖZET
Kömür madenlerinden açığa çıkan metan, düşük konsantrasyonlarda bile (%5–15) patlayıcı olmasının yanı
sıra etkili bir sera gazıdır. Geleneksel yöntemler kullanılarak damar(lar)da mevcut metanın, üretim öncesinde,
üretim sırasında ve sonrasında drenajı mümkündür. Drenajı yapılan metan, konsantrasyonuna bağlı olarak
farklı amaçlar için kullanabilir. Drenaj yöntemleri ile üretilemeyen düşük miktarlardaki metan, ocak havası ile
seyreltilerek hava çıkış kuyusundan atmosfere salınır. Atmosfere bırakılan metan, düşük konsantrasyona sahip
olmasına rağmen küresel anlamda yeraltı kömür madenlerinden açığa çıkan toplam metan emisyonunun
yaklaşık % 60-70’ini oluşturur. Günümüzde, atmosfere salınan düşük konsantrasyonlu metanın
kullanılabilirliğine yönelik arayışlar giderek artmaktadır. Metanın oksidasyonu üzerinde odaklanan bu
çalışmalar, ağırlıklı olarak atmosfere salınan ocak havasının yardımcı veya ana yakıt olarak kullanımını temel
alır. Metanın oksidasyonu ile açığa çıkan CO2 ve ısı gereksinimleri karşılaması durumunda enerji üretiminde
de kullanılabilir. Bu çalışmada, yeraltı kömür madenlerinde havalandırma çıkış kuyusundan atmosfere salınan
düşük konsantrasyonlardaki metanın, azaltım ve kullanım teknolojileri hakkında bir değerlendirme
sunulmuştur. Ek olarak, bu azaltım ve kullanım teknolojilerin değişik açılardan kıyaslamaları yapılmış ve bazı
yöntemlere ait uygulamalardan bahsedilmiştir.
Anahtar Sözcükler: Metan, sera gazları, kömür kaynaklı metan, maden havalandırma.
*
49
İ. Karakurt, G. Aydın, K. Aydıner
Sigma 28, 49-65, 2010
1. GİRİŞ
Küresel ısınmaya yol açan sera gazları esas olarak, fosil yakıtların yakılması (enerji ve çevrim),
sanayi, ulaştırma, arazi ve katı atık yönetimi, enerji ilişkili ve enerji dışı tarımsal faaliyetlerden
(anı yakma, çeltik üretimi, hayvancılık ve gübreleme gibi) kaynaklanır. İnsanların faaliyetleri
sonucunda oluşan sera gazlarının atmosferde birikmesiyle, dünyadan yansıyan güneş ışınlarının
uzay boşluğuna verilmesi yerine, tekrar dünyaya dönmesi yeryüzü sıcaklığını giderek
arttırmaktadır. Küresel sıcaklıklardaki artışlara bağlı olarak da hidrolojik döngünün değişmesi,
kara ve deniz buzullarının erimesi, kar ve buz örtüsünün alansal daralması, deniz seviyesinin
yükselmesi, iklim kuşaklarının yer değiştirmesi ve yüksek sıcaklıklara bağlı salgın hastalıkların
ve zararlıların artması gibi dünya ölçeğinde sosyo-ekonomik sektörleri, ekolojik sistemleri ve
insan yaşamını doğrudan etkileyecek önemli değişikliklerin oluşması beklenmektedir [1,2]
En önemli antropojenik (insan kaynaklı) sera gazları karbondioksit, metan, azot oksitler
(nitrojen oksitler) ve kloroflorokarbonlardır. Şekil 1, sera gazlarının küresel ısınma üzerindeki
etkisini göstermektedir. Küresel ölçekte sera gazları incelendiğinde karbondioksit % 74’lik oranla
ilk sırayı almaktadır. Karbondioksiti sırasıyla metan, nitrojen oksit ve yüksek küresel ısınma
potansiyeline sahip gazlar takip etmektedir.
Metan
% 16
Nitrojen
Oksit
%9
Kloroflorokarbonlar
%1
Karbon
dioksit
% 74
Şekil 1. Antropojenik sera gazı emisyonları [3,4]
Küresel ısınmaya etki olarak karbondioksitten sonra gelmesine rağmen, metanın küresel
ısınma potansiyeli karbondioksitin 21 katıdır [5]. Küresel ısınma potansiyeli, eş değer miktardaki
gazların küresel ısınma üzerindeki etkisinin aynı miktardaki karbondioksite oranıdır [6]. Çizelge
1’de karbondioksit dışındaki sera gazlarının yıllara göre açığa çıkan miktarları verilmiştir.
Çizelgeden de görüleceği gibi atmosfere salınan metan miktarları yıllara göre doğrusal olarak
artmaktadır ve bu artışın gelecekte de sürmesi beklenmektedir. Metanın yıllık artış oranları da
diğer gazlara kıyasla daha yüksektir.
50
Mitigation and Utilization Technologies of Low …
Sigma 28, 49-65, 2010
Çizelge 1. 1990–2005 yılları arasında açığa çıkan CO2 dışındaki sera gazlarının miktarları (Eşd.
CO2 Mt) [5,7]
Yıllar
1990
1995
5816,07
5845,57
Metan
2914,86
Nitrojen Oksit 2871,28
239,14
258,19
YPG
8926,49
9018,62
Toplam
Not. Metan, nitrik oksit ve yüksek potansiyele sahip
karbondioksit değerlerine dönüştürülerek hesaplanmıştır.
2000
2005
6020,16
6407,49
3113,76
3285,63
380,04
503,41
9513,96
10196,53
gazlar için verilen değerler eşdeğer
Metan başlıca tarım, enerji, sanayi ve atık sektörlerinden açığa çıkmaktadır. Çizelge
2’de enerji üretim faaliyetleri sonucunda açığa çıkan metanın yıllara göre yayınım miktarları
verilmektedir. Enerji sektörü antropojenik metan yayınımından sorumlu ikinci sektördür (%30).
Enerji sektöründen açığa çıkan metan başlıca petrol ve doğal gaz sistemleri, kömür madenciliği,
fosil yakıtlar ve biyokütle yakılmasından kaynaklanmaktadır. Kömür üretiminden kaynaklanan
metan yayınımı enerji kaynaklı yayınımların yaklaşık olarak % 20’ sini oluşturur.
Madencilik kaynaklı yayınım miktarı iki ana faktörün kontrolündedir. Bunlar kömür
damarının derinliği ve kömürleşme derecesidir (kömür rankı). Linyit düşük miktarlarda metan
içerirken antrasit ve semiantrasit gibi kömürler yüksek karbon içeriğine sahiptir ve genellikle
yüksek miktarlarda metan içerirler. Kömürleşme sürecinde oluşan ve kömür damarının üzerini
örten örtü tabakasının kalınlığı ve bu tabakanın kırık-çatlak yapısına bağlı olarak kömür içinde az
ya da çok miktarlarda tutulan metan, daha çok yeraltı madenciliğinde ortaya çıkar. Derinlikle
birlikte basıncın artmasına bağlı olarak, kömür damarı içerisinde bulunan metan gazının yüzeye
ulaşması engellenmiş olur. Bu nedenle yeraltı madencilik çalışmalarında açık işletmelere oranla
daha çok metan yayınımı söz konusudur.
Çizelge 2. Enerji üretim faaliyetlerden kaynaklanan metan yayınımı miktarları (Eşd. CO2 Mt) [5]
Yıllar
Doğal gaz ve petrol
Kömür madenciliği
Fosil yakıtlar
Biokütle yanması
1990
993,57
516,74
66,58
160,98
1995
977,25
451,55
63,08
167,68
2000
1029,87
376,88
61,6
177,61
2005
1165,03
388,14
63,84
186,25
Madencilik kaynaklı metan yayınımlarının önemli kısmı yeraltı kömür madenciliğinde
ortay çıkar. Yeraltı kömür madenlerinde üretim faaliyetleri sırasında açığa çıkan metan,
havalandırma sisteminde yapılan düzenlemelerle seyreltilir. Seyreltilen metan çıkış kuyusundan
atmosfere bırakılır. Atmosfere salınan bu gaz, düşük konsantrasyonlarda olmasına rağmen kömür
kaynaklı toplam metan yayınımın yaklaşık % 60-70’ini oluşturur [8].
Bu çalışmada, havalandırma çıkış kuyusundan atmosfere salınan ve içerdiği metan
miktarı çok düşük olan gazın tutulması ve farklı amaçlarda kullanılması için uygun yöntem ve
teknolojiler hakkında bir değerlendirme sunulmuştur. Ek olarak, söz konusu yöntem ve
teknolojilerin birbirlerine göre çeşitli ölçütler tabanında kıyaslamaları yapılarak mevcut bazı
uygulamalar tanıtılmıştır.
2.
OCAK
HAVASINDAKİ
DÜŞÜK
KULLANIM/AZALTIM TEKNOLOJİLERİ
KONSANTRASYONLU
METANIN
Gaz içeriği yüksek kömür damarlarında üretimin verimli bir şekilde devam ettirilebilmesi için
damarda bulunan gazın üretilmesi veya ortamdan uzaklaştırılması gerekir. Drenajla ele edilen gaz
% 30–95 arasında metan içerebilmektedir. Drenaj sisteminden istenilen konsantrasyon ve
51
Sigma 28, 49-65, 2010
süreklilikte gaz elde edilebilmesi, üretilen gazın farklı alanlarda kullanılabilme olanağını mümkün
kılar [6]. Şekil 2, kömür kaynaklı metanın kullanım ve azaltım seçeneklerine yönelik bir
değerlendirmeyi göstermektedir. Drenajla elde edilen ve metan konsantrasyonu %30’un üzerinde
olan gaz karışımı, endüstride farklı amaçlar için kullanılabilirken ocak havasına karışarak çıkış
kuyusundan atmosfere salınan ve içerdiği metan miktarı düşük olan gazın değerlendirilmesi çok
zordur [9]. Çıkış kuyusundan atmosfere salınan kirli havanın (gaz karışımı) hem sera gazı
üzerindeki etkisini azaltan hem de hava içindeki metanın değişik amaçlarda kullanımını sağlayan
etkin bir teknoloji mevcut değildir. Ancak arayışlar devam etmektedir. Son yıllarda bu yönde
yapılan çalışmaların çoğu, düşük konsantrasyonlu metanın oksidasyonu üzerine yoğunlaşmıştır.
Metan, oksidasyon ile karbondioksite dönüştürülmekte ve açığa çıkan ısı ile birlikte enerji
üretilebilmektedir. Ek olarak metanın küresel ısınma üzerindeki etkisi 20 kata kadar
azaltılabilmektedir [10,11].
Metanın oksidasyon teknolojileri, kinetik yanma mekanizmaları açısından termal ve
katalitik oksidasyon olarak ayrımlandırılabilir [12,13]. Her iki yöntemde de ocak havasındaki
metan, yardımcı ve ana yakıt olmak üzere iki temel kategoride işlem görür.
2.1. Metanın Oksidasyon Mekanizması
Ocak havasındaki metanın oksidasyon mekanizması genellikle termal ya da katalitiktir. Metanın
yanma mekanizması aşağıdaki bağıntı ile ifade edilebilir.
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O,
∆H(298) = -802,7 kJ/mol
(1)
Yukarıdaki ifade, metanın yanma mekanizmasını açıklayan basit bir ifadedir. Herhangi
bir yanma mekanizmasında çok sayıda reaksiyon zincirinin oluşması söz konusudur [14,15].
Metanın yanması, hava/metan oranına göre aşağıdaki reaksiyonlar gereğince CO ya da CO2
üretebilir. Bu reaksiyonlar;
CH4 + 3/2O2 = CO + 2H2O
(2)
CH4 + H2O = CO + 3H2
(3)
2H2 + O2 =2H2O
(4)
CO + H2O =CO2 +H2
(5)
52
Klasik
Teknolojiler
(Süreklilik sorunu
yoksa)
Yüksek Metan
Konsantrasyonu
> % 30
Özellikler
Metan kons. ve
Akışında Değişim
Madencilik
Öncesi ve
Sonrası Drene
Edilmiş Gaz
KÖMÜR KAYNAKLI METAN
Düşük Metan
Konsantrasyonu
< % 0-1
Kullanılması
Oldukça Zor
Ocak Havasındaki
Metan
Özellikler
Başlıca Metan
Kons. Değişim
Sigma 28, 49-65, 2010
Azaltım
- Yakma
Azaltım ve Kullanım
- Saflaştırma
(gaz
olarak
kullanım için)
- Pistonlu gaz motorları
- Gaz türbinleri
- Yakıt hücreleri
- Elektrik santrallerinde kömür
ile birlikte kullanım
- Kimyasal kullanım (metanol
üretimi vb)
- Maden
alanında
değişik
amaçlarda kullanım (ısıtma
vb)
Azaltım
- Termal akış dönüşüm reaktörü
(TFRR)
- Katalitik
akış
dönüşüm
reaktörü (CFRR)
- Katalitik-monolitik reaktörler
(CMR)
Azaltım ve Kullanım
- Fakir yanma modlu katalitik
gaz türbini
- Gaz türbini
- Arındırma, soğutma, kurutma
ve ısıtmalı katalitik yanma
- Güç santralleri hava girişi
- Gaz türbinleri ve motorları
için yanma havası
- Konsantratörler
(yoğunlaştırıcılar)
Hibrit Kullanım
- Akışkan Yataklı
- Döner Fırın
Atıklar
Şekil 2. Kömür kaynaklı metanın kullanım ve azaltım seçenekleri [15,16]
53
Sigma 28, 49-65, 2010
Metanın katalitik yanma mekanizmasında, çok sayıda farklı reaksiyonun meydana
gelmesi mümkündür. Heterojen reaksiyonların da meydana geldiği bir katalitik yanma
mekanizması oldukça karışıktır. Basit bir ifadeyle, metanın katalitik oksidasyonunda meydana
gelen muhtemel yanma reaksiyonu Şekil 3’te verilmektedir.
CO(g)
HCHO(g)
CH4(g)
CH3- (a)
ya da
CH2- (a)
H2(g)
+O
Çözülme
HCHO(a)
CH4(a)
+O
CO(a) + 2H(a)
CO2 (g) + H2O (g)
Doğrudan Oksidasyon
Şekil 3. Metanın katalitik oksidasyonun da muhtemel yanma reaksiyonu : (a) adsorbe edilmiş,
(g) gaz fazı [12,17]
2.2. Ocak Havasındaki Metanın Yardımcı Yakıt Olarak Kullanımı
Çıkış kuyusunda tutulan ocak havası, mevcut yanma işleminin performansını arttırmak için ortam
havası olarak kullanılabilmektedir. Ocak havasındaki düşük konsantrasyonlu metan burada
yardımcı yakıt işlevini görür. Çizelge 3’de ocak havasındaki metanın yardımcı yakıt olarak
kullanımı ya da azaltımı seçeneklerine yönelik bir değerlendirme sunulmuştur.
Çizelge 3. Maden havasındaki metanın yardımcı yakıt olarak kullanım/azaltım seçenekleri [9]
Teknoloji
Elektrik santrali
için yanma
havası
Oksidasyon Mek.
Termal
Temel Kullanım
Elektrik santrali
fırınlarında yanma
Uygulama
Azaltım/kullanım, henüz
pilot ölçekte. Büyük ölçekli
uygulaması da
düşünülmektedir.
Azaltım/kullanım. Henüz
uygulama yok
Gaz
türbin/motoru
için yanma
havası
Fırınlarda
kömürün
hibritleştirilmesi
Akışkan bir
yatakta kömürün
hibritleştirilmesi
Termal
Klasik gaz
türbin/motorlarında
yanma
Termal
Döner yanma
odasında yanma
Azaltım/kullanım. Pilot
ölçekte uygulama mevcut
Termal
Akışkan bir yatak
içerisinde yanma
Azaltım/kullanım. Sadece
bir kavram olarak var.
Yöntemin temel uygulama alanları;
i.
ii.
iii.
iv.
Enerji santrallerinde kömür ile birlikte yanma işlemlerinde
Atık kömürlerin hibritleşmesini sağlayan yanma ünitelerinde
Klasik gaz türbinlerinde
İçten yanmalı motorlarda
54
Sigma 28, 49-65, 2010
Ocak havasının yardımcı yakıt olarak kullanıldığı teknolojilerde enerji kazanımı
mümkün olabilmektedir. Ancak, en önemli sorun uygulama için gerekli ünitelerin ocak çıkış
kuyusuna güvenli bağlantısının sağlanmasıdır. Ocak havasındaki düşük konsantrasyonlu metanın
yardımcı yakıt olarak kullanımının teknik ve mühendislik açıdan uygulanabilirliğinin ana işletim
parametreleri temelinde bir değerlendirmesi Çizelge 4’de sunulmuştur.
Çizelge 4. Ocak havasındaki metanın yardımcı yakıt olarak kullanım teknolojilerinin
karşılaştırılması [15]
Teknoloji
Özellik
Enerji
santrallerinde
kömür ile birlikte
kullanım
İnce
kömürle
birlikte
fırınlarda
Atık kömürlerin
hibritleştirilmesini
sağlayan yanma
üniteleri (akışkan
yataklı ortam)
Döner
fırın
Atık kömürlerin
hibritleştirilmesini
sağlayan yanma
üniteleri (fırınlar)
Akışkan
yataklı
Yanma
Derecesi
(oC)
1400–1650
Teknik ve
Mühendislik Olarak
Uygulanabilirlik
Teknik olarak
uygulanıyor
Mühendislik olarak
herhangi bir madende
uygulama yok
1200–1550
Teknik olarak
uygulanabilir
Mühendislik olarak
uygulama yok
850–950
Klasik Gaz
türbinleri
Gaz
türbini
1400–1650
İçten yanmalı
motorlar
Motor
1800–2000
Teknik olarak
uygulanabilir
Mühendislik olarak
uygulama yok
Teknik olarak
uygulanabilir
Mühendislik olarak
uygulama yok
Teknik olarak
uygulanabilir
Mühendislik olarak
uygulaması var
55
Potansiyel
Sorunlar
Sınırlı uygulama
alanı
Mevcut
fırın/kazanların
potansiyel işletim
problemleri
Kendiliğinden
yanma
Kömür atık
kalitesi için
minimum
gereksinim
Kömür atık
kalitesi için
minimum
gereksinim
CH4 oksidasyonu
için gerekli
deneme testleri
Türbin yakıtlarının
az olması
Tek bir kompresör
kullanımında fazla
miktarda CH4
yayılmaktadır. İki
kompresör
kullanımında da
ekipman fazlalığı
söz konusudur. Bu
da ocak havası
kapasitesini
düşürmektedir.
Motor yakıtlarının
az olması
Düşük miktarlarda
ocak havasının
kullanılması
Sigma 28, 49-65, 2010
2.2.1. Ocak Havasındaki Metanın Enerji Santrallerinde Kömür ile Birlikte Kullanımı
Ocak havası, enerji santralleri gibi büyük kapasiteli işletmelerde mevcut yakıtların yanında ortam
havası olarak (yardımcı yakıt) kullanılabilmektedir. İşlemin teknik olarak uygulanabilirliğine
yönelik Avustralya da bir enerji santralinde pilot ölçekli bir çalışma yapılmış ve çalışma
sonucunda uygulamanın teknik açıdan uygun olduğu görülmüştür. [8] Enerji santralinin, ocak
havası çıkış kuyusuna yakın olduğu durumda daha verimli bir uygulamanın mümkün olacağı
belirtilmiştir.
Ocak havasındaki metan oranının değişkenliği ve akış oranı, enerji santrallerindeki
mevcut ekipmanların duraylılığını teknik olarak etkileyebilir. Yanma esnasında mevcut düzeneğe
(fırın vb.) giren ocak havasındaki metanın konsantrasyonu aniden yükselebilir. Bu ani sıcaklık
artışı, santraldeki düzeneklere zarar verebileceği gibi aşırı cüruf ya da tortu oluşumuna da sebep
olabilir. Santral iş yükü karmaşıklığının artmasına da sebep olan bu ekenler, yöntemin
uygulamasını sınırlar. Bu nedenle, enerji santralleri genellikle tüm gazlı madenler için uygun
değildir [15].
2.2.2. Atık Kömürlerin Hibritleşmesini Sağlayan Yanma Ünitelerinde Kullanım
Ocak havasının yardımcı yakıt olarak kullanıldığı bir diğer alan, atık kömürlerin hibritleştirildiği
akışkan yataklı ya da döner yanma üniteleridir. Ancak yöntemde yanma işleminin organize
edilebilmesi ve duraylılığının sağlanması için mevcut ekipmanlara ilave düzenlemelerin yapılması
gerekir.
Değişik firmalar tarafından düşük kalitedeki atık kömürlerin hibritleştirilmesi için bazı
döner fırınlar geliştirilmiştir. Geliştirilen bu fırınlarda yapılan ilk deneme çalışmaları yanma
işleminin sürekliliği için yüksek kaliteli gazın ya da yakıtın gerekliliğini ortaya koymuştur. Cobb
[18]’un yürüttüğü bir çalışmada bu tür fırınlarda yüksek kaliteli sert kömür atıklarının da yanma
işleminde kullanılması durumunda düşük verimler elde edilmiştir.
Akışkan yataklı yanma ünitelerinin atık kömür hibritleşme işlemlerinde yardımcı yakıt
olarak ocak havasının kullanıldığı çok sayıda pilot çapta tesis mevcut iken metanın bu ünitelerde
tamamıyla oksidasyona uğradığına dair herhangi bir deneysel çalışma yoktur. Bu nedenle büyük
çaplı tesisler kurulmadan önce bu testlerin de yapılması gerekir [19].
2.2.3. İçten Yanmalı Motorlarda Kullanım
İçten yanmalı motorlar elektrik üretimi için genellikle orta kalitede gazı kullanırlar ve yanma
işlemlerinde ocak havasını ortam havası olarak kullanılması için uygundurlar. Ulaşım olarak
avantajlı olması durumunda ocak havasındaki metanın azaltımı için düşük yatırım maliyeti
gerektiren bir seçenektir. Yanma esnasında yüksek sıcaklıktan dolayı bu uygulamada diğer
uygulamalara göre daha çok NOx gazı açığa çıkmaktadır [8]. Yöntemin ilk yatırım maliyeti düşük
olması gibi bir avantajı olmasına rağmen, ocak havasındaki metanın çok düşük bir yüzdesi bu
yöntemle kullanılabilmektedir.
2.2.4. Klasik Gaz Türbinlerinde Kullanım
Gaz türbinleri gaz motorları ile benzer özellikler sergilerler ve ocak havasındaki metanın çok
düşük bir yüzdesi türbinin yakıt ihtiyacını giderir. Diğer taraftan ocak havasının yanma işlemini
seyreltme ve türbini soğutma işlevi için kullanılması durumunda hava içindeki metanın yanmadan
türbini terk etmesi ile sonuçlanır. Bu durumdan sakınmak için, sıkıştırılmış ocak havasının yanı
sıra diğer kaynaklardan da sıkıştırılmış hava gerektiren daha karışık türbin sistemlerinin
kullanılması gereklidir [15,20].
56
Sigma 28, 49-65, 2010
2.3. Ocak Havasındaki Metanın Ana Yakıt Olarak Kullanımı
Ocak havasının ana yakıt olarak kullanıldığı bu yöntemde, metan mevcut yanma işlemlerinde
birincil yakıt olarak kullanılır. Ancak metanın mevcut yanma işlemlerinde ana yakıt olarak
kullanımı; gazın konsantrasyonuna, ana yakıt olarak kullanılacağı düzeneğin minimum gaz
gereksinimine bağlı olarak bazı teknolojiler için mümkün olmayabilir. Ocak havasındaki metanın,
ana yakıt olarak kullanım/azaltım seçenekleri Çizelge 5’de verilmiştir. Bu alanlar başlıca;
i.
ii.
iii.
iv.
v.
Termal akış dönüşüm reaktörleri
Katalitik akış dönüşüm reaktörleri
Katalitik-monolitik reaktörler
Fakir Yanma modlu gaz türbinleri
Konsantratörlerdir.
2.3.1. Termal Akış Dönüşüm Reaktörleri
Termal akış dönüşüm reaktörleri, organik bileşiklerin termal oksidasyon süreçleri için kullanılan
düzeneklerdir. Çalışma prensipleri çok sayıda araştırmacı tarafından [20,21] açıklanan bu
düzenekler, merkezinde bir dizi elektrik ısıtıcı parçaların bulunduğu silika ya da seramik
kaplamalı bileşenden oluşurlar. Üzerinde bulunan kanallar ya da valf gibi bileşenlerle ocak
havasının içeri girmesi sağlanır [22]. Tipik bir termal akış dönüşüm reaktörünün görünümü Şekil
4’de verilmiştir. Bu reaktörler, ocak havasındaki metanın sıcak ve katı bir ortamda yanarak ısıya
dönüşmesini sağlar. Bu ortam sıcaklığı ocak havasındaki metanın tutuşma sıcaklığı için
gereklidir.
Valf 2
Hava
& CH4
Valf 1
Isıtıcı Ortam
Valf 1
Hava
CO2
H2O
Isı
Isı Değiştirici
Isıtıcı Ortam
Valf 2
Valf 1 açık
Valf 2 açık
Şekil 4. Termal akış dönüşüm reaktörü şematik görünümü [5]
Termal yanma teknolojisinde, işlemin başlaması için ortamdaki elektrikli ısıtıcı
bileşenler, metanın otomatik tutuşmasını sağlamak amacıyla reaktörün orta tabanının önceden
ısınmasını sağlarlar. İşlemin ilk safhasının ilk yarısında, ocak havası ortam sıcaklığında reaktöre
girer ve reaktörün bir kenarı boyunca dolaşır. Metanın oksidasyonu, reaktör tabakasının ortalarına
yakın bir yerde, reaktör içindeki karışımın metanın kendiliğinden tutuşma sıcaklığını aştığında
meydana gelir. Reaktör tabakasının yanma işlemine uzak kısımları yeterince ısındığında ya da
yanma işlemine yakın kenarları ortama giren ocak havası nedeniyle soğuduğunda, reaktör
otomatik olarak akışın yönünü değiştirir.
57
Sigma 28, 49-65, 2010
Çizelge 5. Maden havasındaki metanın ana yakıt olarak kullanım/azaltım seçenekleri [9]
Teknoloji
Termal akış
dönüşüm
reaktörü
Katalitik akış
dönüşüm
reaktörü
Bağımsız
katalitik
yakma odası
Gaz türbini
katalitik
yanma
Oksidasyon
Mekanizması
Termal
Temel Kullanım
Uygulama
Isı alıp veren akış
dönüşüm reaktörü
Metan azaltım seçeneği var,
kullanım seçeneği için
çalışmalar devam ediyor
Azaltım seçeneği var,
kullanım seçeneği için
çalışmalar devam ediyor
Azaltım seçeneği var,
kullanım seçeneği henüz
mevcut değil
Azaltım; yanma olarak
uygulama var. Kullanım
olarak laboratuar ölçekte
uygulama var
Azaltım; yanma olarak
uygulama var. Kullanım
olarak laboratuar ölçekte
uygulama var (Geliştirilmeye
ihtiyacı var)
Azaltım/kullanım seçenekleri
hala geliştirme aşamasında
Katalitik
Isı alıp veren akış
dönüşüm reaktörü
Katalitik
Geri kazanımlı
bağımsız reaktör
Katalitik
Katalitik yakma odalı
ve geri kazanımlı gaz
türbini
Gaz türbini
Termal
Yakma odalı ve geri
kazanımlı gaz türbini
Yoğunlaştırıcı
N/A Adsorplama
Adsorblayıcı ve
uzaklaştırıcı
kullanılarak
akışkan/hareketli
yataklı çoklu safha
Böylelikle, yeni ocak havasının ortama girmesiyle sıcak olan kısımlar soğumaya, soğuk
olan kısımlar da tekrar ısınmaya başlar. Reaktörün merkezine yakın ve/veya merkezinde metan,
kendiliğinden yanma sıcaklığına ulaşır, oksidasyona uğrar ve CO2 ve ısı açığa çıkar. Merkezde
sıcaklık 1000 oC’ye çıkar. Bu sıcaklığa ek olarak adyabatik sıcaklık artışı söz konusudur
[5,12,23,24]. Termal akış dönüşüm reaktörleri ocak havasındaki metanın % 95’den fazlasının
oksidasyonunu sağlayarak karbondioksite dönüşmesine imkân tanır [25].
Termal akış dönüşüm reaktörlerinin, hava akışının dolaşım şekli ve valf durumuna göre
tasarlanmış alternatifleri mevcuttur (Şekil 5) [25].
58
(a)
Sigma 28, 49-65, 2010
Valf 2
(Kapalı)
Valf 1
(Açık)
Hava
CO2&H2O
(Kapalı)
Hava&
CH4
(Açık)
(b)
Valf 1
(Kapalı)
Valf 2
(Açık)
Hava &
CH4
(Açık)
Hava
CO2&H2O
(Kapalı)
Şekil 5. Hava akış yönü ve valf durumuna göre tasarlanmış termal akış dönüşüm reaktörleri
(a) aşağı yönlü akış, (b) yukarı yönlü akış
2.3.2. Katalitik Akış Dönüşüm Reaktörleri
Çalışma prensibi olarak termal akış dönüşüm reaktöründen farkı, kullanılan katalizör olan
katalitik akış dönüşüm reaktörleri, ocak havasındaki düşük konsantrasyonlarda bulunan metanın
katalitik oksidasyonu ile enerji üretimini sağlayan düzeneklerdir. Bu reaktörler yanma esnasında
metanın kendiliğinden tutuşma sıcaklığını düşürür ve oksidasyon ile açığa çıkan enerji süresince
de sistem reaksiyonunun sürekliliğini korur [26]. Sistemdeki aşırı ısınmalar ısı değiştiricisine ya
hava ilavesi ya da hava-su ilavesi ile önlenebilir. Bu tür reaktörlerin düşük sıcaklıklarda çalışma,
NOx gazının açığa çıkmaması (ihmal edilebilir oranlarda açığa çıkar), mühendislik ve üretim
maliyetini düşük olması, ısı kaybının az olması ve daha küçük ekipman gerektirmesi gibi
avantajları vardır [5,27,28,29]. Katalitik akış dönüşüm reaktörleri ocak havasındaki metanın
yaklaşık % 90’ının oksidasyonunu sağlar. Böylelikle ocak havasının sera gaz etkisini azaltmasının
yanı sıra önemli bir enerji kaynağının da elde edilmesine imkan tanır [30]. Şekil 6’da tipik bir
katalitik akış dönüşüm reaktörü verilmiştir.
Katalitik akış dönüşüm reaktörleri, atmosfere salınan ocak havasındaki düşük
konsantrasyonlu metanın azaltılması/kullanılması için teknik olarak uygulanabilen bir
teknolojidir. Sapoundjiev ve Aube [29]’nin yaptıkları bir çalışma, bu reaktörlerin termal enerji
kullanıcılarına uzak olan kömür madenlerinde elektrik üretimi için kullanılabilir olduğunu
göstermiştir. Katalitik reaktörlerin ticari olarak yaygınlaştırılmasının kömür madenlerinden açığa
çıkan metanın büyük çoğunluğunu oluşturan ocak havasındaki metanın azaltılabilirliği konusunda
kömür işletmelerine büyük kazanç sağlayacağını belirten araştırmacılar, bu teknolojinin farklı
alanlardan açığa çıkan metan emisyonlarını azaltmak için de uygulanabileceğini ifade etmişlerdir.
Şekil 7’de, ocak çıkış kuyusunda tutulan ve % 0,5 metan konsantrasyonuna sahip maden
59
Sigma 28, 49-65, 2010
havasının katalitik akış dönüşüm reaktöründe kullanılması durumunda işletmeye ve küresel
ısınmaya sağladığı avantajlar verilmiştir. Metanın küresel ısınma potansiyelinin CO2’e oranla 21
kat daha fazla olduğu ve değerlendirilmesi durumunda işletmeye getireceği katkı göz önüne
alındığında katalitik reaktör yönteminin kullanımının önemi daha da artmaktadır.
Valf 2
Valf 1
Isıtıcı Ortam
Katalizör
Hava
&CH4
Hava
CO2
H2O
Isı
Isı Değiştirici
Katalizör
Valf 1
Valf 2
Isıtıcı Ortam
Valf 1 açık
Valf 2 açık
Şekil 6. Katalitik akış dönüşüm reaktörü şematik görünümü [5].
Hava+CO2+H20
(Yıllık 30 kt CO2’te Eşdeğer
)
Hava+CH4
(Yıllık 238 kt CO2’te Eşdeğer
)
Giren
Hava
Katalitik
Akış
Dönüşüm
Reaktörü
Ocak Havası (% 0,5 Metan)
Sıcak Hava
(650–800 oC)
Yeraltı
Kömür Madeni
Hava Çıkış
Yolları
İşletmeye
Isı
Desteği
Damardan
Metan
Emisyonu
•
•
•
•
Termal
Enerji
Bölgesel
Isıtma
Isıtma
Sıcak Su
Sistem Soğutma
Buhar Oluşturma
Turbo
Jeneratör
İşletmeye
Elektrik
Desteği
Şekil 7. Katalitik akış dönüşüm reaktör teknolojisinin avantajları [29]
60
Elektrik
Santrali
Sigma 28, 49-65, 2010
2.3.3. Katalitik-Monolitik Reaktörleri
Katalitik-monolitik reaktörlerinde yüksek mekanik dayanım, büyük geometrik alan ve kütlesel
akış ve çok düşük oranlarda basınç düşmesi gibi göze çarpan özellikleri olan ve bal peteğine
benzer delikli bir monolitik reaktör kullanılır [31]. Bu monolitik reaktörler katalitik olarak aktif
parçacıklar içeren gözenekli bir yapı ile kaplanmış paralel yapılardan oluşurlar. Bu nedenle diğer
oksidasyon teknolojileri (termal ya da katalitik) ile karşılaştırıldığında, aynı miktarda ocak
havasının oksidasyonunda daha etkin olabilirler. Ancak, havanın ön ısıtması için diğer
yöntemlerdeki yenileyici tabaka olma özelliğine rağmen burada ek donanım gerekmektedir. Ocak
havasındaki metanın oksidasyon teknolojilerinin (termal akış dönüşüm, katalitik akış dönüşüm ve
katalitik-monolitik reaktör) karşılaştırılması Çizelge 6’de verilmiştir.
Çizelge 6. Ocak havasındaki metanın oksidasyon teknolojilerinin (termal akış dönüşüm, katalitik
akış dönüşüm ve katalitik-monolitik reaktör) karşılaştırılması [15].
Özellik
Çalışma prensipleri
Katalizör
Kendiliğinden
tutuşma sıcaklığı
İşlem süresi
Minimum CH4
konsantrasyonu
Uygulanabilirlik
Açığa çıkan ısının
elektrik üretiminde
kullanma potansiyeli
Termal Akış
Dönüşüm Reaktör
Teknolojisi
Akış dönüşüm
Yok
1000 oC
Katalitik Akış
Dönüşüm Reaktör
Teknolojisi
Akış dönüşüm
Var
350–800 oC
Monolitik reaktör
Var
500 oC
Kısa
% 0,2
Uzun
% 0,1
Sürekli
% 0,4
CH4 Azaltılması
CH4 kons. arttırmak
ve sabit tutmak için
ek olarak yakıta
ihtiyaç olabilir
Değişken
CH4 Azaltılması
ve sabit tutmak için
ek olarak yakıta
ihtiyaç olabilir
Değişken
CH4 Azaltılması
ve sabit tutmak için ek
olarak yakıta ihtiyaç
olabilir
Değişken
Katalitik-Monolitik
Reaktör Teknolojisi
CH4 (metan)
konsantrasyonu
değişebilirliği
İşletmede yer
kaplama
İşletim
İşletim ömrü
Büyük yer kaplar
Geniş yer kaplar
Az yer kaplar
Karışık
N/A
Karışık
N/A
NOx emisyonu
CO emisyonu
N/A
Düşük
Düşük
Düşük
Basit
> 8000 saat (katalizör
için)
Düşük ( < 1 ppm)
Düşük (~ 0 ppm)
Ocak çıkış kuyusunda tutulan maden havasının hacminin büyük, metan
konsantrasyonunun düşük ve değişken olması oksidasyon yöntemlerinin verimli çalışmasını
önemli ölçüde etkilemektedir. Termal akış dönüşüm reaktörlerini üreten firmalar, bu reaktörlerin
% 0,08 metan konsantrasyonunda çalışabileceğini belirtirken Utah Üniversitesi’nde yapılan bir
çalışmada bu rakamın % 0,35 olduğu ve işlem sürekliliğinin sağlanması açısından minimum
metan konsantrasyonunun bu eşik değerde kalması gerektiği belirtilmiştir [8]. Katalitik akış
dönüşüm reaktörlerinde oksidasyon işleminin gerçekleşebileceği reaktöre giren havadaki metan
konsantrasyonunun % 0,1’den yüksek olması gerektiğini belirten araştırmacılar, bu oranda işlem
süresinin belli olmadığını da belirtmişlerdir [28]. Katalitik-monolitik reaktör yöntemi için gerekli
minimum metan konsantrasyonunu belirlemeyi amaçlayan ve laboratuarda yapılan bir deneysel
61
Sigma 28, 49-65, 2010
çalışmada, bu reaktörün % 0,4 metan konsantrasyonundan daha fazla oranlarda çalışabileceğini
belirlemişlerdir [15].
2.3.4. Fakir Yanma Modlu Gaz Türbinleri
Günümüzde güçlendirilmiş gaz türbini, katalitik türbin ve yanma odalı mikro türbinler başta
olmak üzere birçok fakir yanma modlu türbinler geliştirilmektedir [32]. Ocak havasındaki düşük
konsantrasyonlu metan, daha çok güçlendirilmiş gaz türbinlerinde ana yakıt olarak
kullanılmaktadır. Geliştirilmekte olan bu fakir yanma modlu gaz türbinlerinin bazı özelliklerinin
karşılaştırılması Çizelge 7’de sunulmuştur. Bu gaz türbinleri için minimum metan
konsantrasyonunun %1-1,6 olması istenir. Ocak havasındaki metanın düşük konsantrasyonlarda
olduğu düşünülürse bu havanın yakıt olarak kullanımı için ekstra metan ilavesi gerekebilir. Bu tür
türbinlerde ocak havasındaki düşük konsantrasyonlu metan yakıt olarak kullanılabileceği gibi
madencilik öncesi ve sonrası ele geçirilen metan da yakıt olarak kullanılabilir.
% 1-1,6 metan konsantrasyonuna sahip ocak havasının, bu tür gaz türbinlerinde
kullanımının teknik ve ekonomik açıdan değerlendirilmesi Avustralya’da iki kömür madeninde
gerçekleştirilmiştir [33]. Yapılan çalışmanın sonucunda, türbinlerdeki ateşlemenin % 50-60’ını
sağlayan yakıtın % 1 metan konsantrasyonuna sahip havanın olduğu, % 1,6 metan
konsantrasyonuna sahip havanın da yakıt olarak % 30-60 oranında bir ateşleme sağladığı
görülmüştür. Öte yandan, % 1 metan konsantrasyonunun kullanıldığı türbinde her iki kömür
madeni için ocak havasının neredeyse % 100 kullanılabildiği, buna karşın % 1,6 metan
konsantrasyonun kullanıldığı türbinde % 50 ve % 30 ocak havasının kullanıldığı belirlenmiştir.
Çizelge 7. Fakir Yanma modlu gaz türbin teknolojilerinin karşılaştırılması [15]
Özellik
Çalışma prensipleri
Katalizör
Kendiliğinden
tutuşma sıcaklığı
Deneyim
Minimum CH4 oranı
Uygulanabilirlik
Isı kazanım imkânı
İşletim
İşlem süresi
NOx emisyonu
COx emisyonu
Güçlendirilmiş
Türbin
Yanma Odası içinde
hava ısıtıcı
Yok
700–1000 oC
Monolitik reaktör
Katalitik Mikro
Türbin
Monolitik reaktör
Var
500 oC
Var
N/A
Pilot ölçekli
Laboratuar ölçekli
% 1,6
CH4 azaltım ve güç
üretimi, CH4 kons.
artışı için ek yakıt
gerekli
Yapılabilir
Basit ve istikrarlı
Yüksek
yanma
sıcaklığından dolayı
kısa olabilir
Yüksek
Düşük
%1
üretimi, CH4 kons.
gerekli
Yapılabilir
>8000 saat katalizör
için, 20 yıl türbin için
Geleneksel mikro
türbin
%1
üretimi, CH4 kons.
gerekli
Yapılabilir
N/A
Katalitik Türbin
Düşük (< 3 ppm)
Düşük (~ 0 ppm)
Düşük
Düşük
2.3.5. Konsantratörler (Yoğunlaştırıcılar)
Konsantratörler, gaz haline gelen organik bileşiklerin ele geçirilmesi için birçok endüstride
kullanılmaktadırlar. Bu konsantratörler, maden havasındaki düşük konsantrasyonlu metanın
62
Sigma 28, 49-65, 2010
konsantrasyonunu arttırmada kullanılarak, fakir yanma modlu gaz türbinleri gibi, gazın kullanım
alanlarının ihtiyacını karşılayacak CH4 oranının elde edilmesini sağlarlar. Konsantratörlere metan
konsantrasyonu % 0,1 ile 0,9 aralığında olan hava girer ve zenginleştirme işlemi sonrasında bu
oran % 20’lere kadar çıkar. Eğer zenginleştirme sonucu metan oranı % 30 veya daha yüksek ise
geleneksel gaz türbinleri kullanılarak elektrik üretimi için işlem yapılabilir [15].
3. SONUÇLAR
Etkili bir sera gazı olan metan, insan kaynaklı sera gazı emisyonlarına karbondioksitten sonra en
fazla katkıda bulunan gazdır. Başlıca oluşum kaynakları; tarım, bataklık, petrol ve doğal gaz
sistemleri, kömür madenleri ve fosil yakıtlarıdır. Kömür madenleri antropojenik (insan kaynaklı)
metan emisyonlarının % 7’sinden sorumludur. Bu emisyonların yaklaşık % 70’i yeraltı kömür
madenleri ocak çıkış kuyularından açığa çıkmaktadır. Ocak çıkış kuyularından açığa çıkan
metanın sera gazı etkisinin azaltımı ve kullanımına yönelik etkin bir teknoloji henüz olmamasına
rağmen bu yöndeki çalışmalar son dönemlerde hız kazanmıştır. Bu çalışmaların çoğu, ocak havası
içindeki düşük konsantrasyonlu metanın oksidasyonu üzerine yoğunlaşmıştır. Bu teknolojilere
yönelik bir değerlendirmenin sunulduğu çalışmanın sonuçları aşağıdaki gibi özetlenebilir:
Drenajla elde edilen gaz içerdiği metan konsantrasyonuna göre değişik amaçlarda
kullanılabilmesine rağmen ocak çıkış kuyusundan atmosfere salınan gazın; yüksek hacimli
olması, düşük ve değişken konsantrasyonlarda metan içermesi nedeniyle değerlendirilmesi
zordur.
Ocak çıkış kuyusunda tutulan gazın (metan), sera gazı etkisinin azaltımı ve
değerlendirilebilirliği, çalışmada bahsedilen mevcut teknolojilerde yardımcı ve ana yakıt olarak
kullanılabilmesi ile mümkün olabilmektedir. Ocak havasının yardımcı yakıt olarak kullanıldığı
teknolojiler açığa çıkan metanın sera gazı etkisini azaltmak için daha uygun iken, ocak havasının
ana yakıt olarak kullanıldığı teknolojiler, hem metanın küresel ısınma üzerindeki etkisini
azaltmak hem de gazın farklı amaçlarda değerlendirilmesinin sağlanması için daha uygundur.
Ocak havası, mevcut teknolojilerde yardımcı ve ana yakıt olarak kullanım için yeterli
oranlarda metan içermiyorsa, gazın metan içeriğinin arttırılması gerekir. Bu işlem için uygun
düzenekler konsantratörlerdir (yoğunlaştırıcılar). Konsantratörlerde zenginleştirmeye tabi tutulan
ocak havasındaki metan miktarı % 30’un üzerine çıkarılabilirse klasik gaz türbinleri aracılığı ile
enerji üretimi de mümkün olabilmektedir.
Ocak havasındaki metanın sera gazı etkisinin azaltımı ve farklı alanlarda
değerlendirilebilirliği için kullanılan oksidasyon teknolojilerinin uygulanabilirliği, sahaya bağlı
olarak değişebilmektedir. Bu nedenle, oksidasyon teknolojisinin herhangi bir sahaya
uygulanabilirliği için saha etüdünün iyi bir şekilde yapılması gerekmektedir.
Yeraltı kömür madenleri ocak çıkış kuyularından atmosfere salınan metanın küresel
ısınma üzerindeki etkisi, çalışmada bahsedilen oksidasyon teknolojileri ile % 95 oranında
azaltılabilmektedir. Diğer bir deyişle, kömür madenlerinin neden olduğu metan emisyonları
yaklaşık % 67 oranında azaltılabilmektedir.
[1]
[2]
[3]
Aydın, G., “Kömür Kökenli Metanın Kullanım Teknolojileri ve Enerji Üretiminden
Kaynaklanan Antropojenik Metan Emisyonlarının Analizi”, Yüksek Lisans Tezi, Fen
Bilimleri Enstitüsü, KTÜ, 2008.
US EPA, 2003a, “An Assessment of the Worldwide Market Potential for Oxidizing Coal
Mine Ventilation Air Methane, United States Environmental Protection Agency, July.
Kruger, D. and Franklin, P., “The Methane to Markets Partnership: Opportunities for coal
mine methane utilization”, 11th U.S./North American Mine Ventilation Symposium,
(2006) June, 3-8.
63
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
Sigma 28, 49-65, 2010
Karakurt, İ., Aydın, G. ve Aydıner, K., “Kömür Madenlerinden Açığa Çıkan Metan
Gazının Azaltım Seçenekleri”, 3. Madencilik ve Çevre Sempozyumu, sayfa 165–172, 11–
12 Haziran (2009a), Ankara.
U.S.EPA, 2006, “Coalbed Methane Outreach Program”, (CMOP), U.S. Environmental
Protection Agency, Erişim Haziran (2009).
Aydın, G. ve Karakurt, İ., “Yeraltı Kömür Damarlarından Üretilen Metanın Kullanım
Teknolojileri”, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Mühendislik Bilimleri
Dergisi. Cilt 15, Sayı 1, Sayfa 129–136, 2009a
Aydın, G. ve Karakurt, İ., “Çeşitli Kaynaklara Bağlı Olarak Enerji Sektöründen Açığa
Çıkan Küresel Metan Emisyonlarının Bölgesel Analizi”, Türkiye 21. Uluslar arası
Madencilik Kongresi ve Sergisi, sayfa 629–637, 6–8 Mayıs, (2009b) Kemer-Antalya.
Carothers, P. and Deo, M., Climate Protection Division, EPA-430-R-001, “Technical and
Economic Assessment: mitigation of Methane Emissions from Coal Mine Ventilation Air.
Coalbed Methane Outreach Program”, 2000.
Su, S. ve Agnew, J., “Catalytic Combustion of Coal Mine Ventilation Air Methane”, Fuel,
Volume 85, 1201-1210, 2006.
You, C. and Xu, X., “Utilization of Ventilation Air Methane as a Supplementary Fuel at a
Circulating Fluidized Bed Combustion Boiler”, Environmental Science&Technology, 42,
2590-2503, 2008.
Su, S., Chen, Hongwei., Teakle, P. and Xue, S., “Characteristics of Coal Mine Ventilation
Air Flows”, Journal of Environmental Management” Volume 86, 44-62, 2008.
Mallet, C.W. and Su, S., “Progress in Developing Ventilation Air Methane Mitigation and
Utilization Technologies”, 3rd International Methane&Nitrous Oxide Mitigation
Conference, p 7, November 17-21, (2003) Beijing-China.
Carothers, P., Schultz, L.H. and Talkington, C.C., (2003), “Mitigation of Methane
Emissions from Coal Mine Ventilation Air: An Update”, Available from
http://www.irgltd.com/Resources/Publications/US/200305%20Mitigation%20of%20Methane%20Emissions%20from%20Coal%20Mine%20Vent
ilation%20Air%20Update.pdf, accessed August 2009.
Lee, J.H. and Trimm, D.L., “Catalytic Combustion of Methane”, Fuel Processing
Technology, 42, 339-359, 1995.
Su, S., Andrew, J., Beath., Guo, H. et al., “An Assessment of Mine Methane Mitigation
and Utilization Technologies”, Progress in Energy and Combustion Science, Volume 31,
123-170, 2005.
Karakurt, İ., Aydın, G. ve Aydıner, K., “Maden Havasındaki Metanın Oksidasyonu ile
Enerji Üretimi”, 3. Balkan Madencilik Kongresi, sayfa 585–592, 1–3 Ekim, (2009b)
İzmir-Türkiye.
Oh, SH., Mitchell, PJ., Siewert, RM., “Methane Oxidation over Noble Metal Catalysts as
related to Controlling Natural Gas Vehicle Emissions”. Catalytic Control of Air Pollution:
Mobile and Stationary Sources. 202nd National Meeting of the American Chemical
Society, 25-30 August, ACS Series, Volume 495, 1991, page 12-25.
Cobb, J.T., 1992, “Coal Desulphurization in a Rotary Kiln Combustor”, Final Report,
March 15, July. BCR National Lab, Pittsburg, USA.
Su, S. ve Mallett, C.W., “Investigation into Waste Coal Handling Facilities”, CSIRO
Exploration and Mining Report, Brisbane, August, 2003.
King, B. ve Traves, D., 2000, “Catalytic Flow Reversal Reactor/gas Turbine Greenhouse
Gas Emissions Reduction Technology”, Atlantic Canada Environmental Business&Expo,
25-27 April, Erişim 20 Mayıs 2009.
Danell, R., Nunn, J. ve Kallstrand A., 2002, “Demonstration of MEGTEC Vocsidizer for
Methane Utilization”, ACARP report, Brisbane, Erişim 26 Mayıs 2009.
64
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
[32]
[33]
Sigma 28, 49-65, 2010
Sommers, J.M. ve Schultz, H.L., “Thermal Oxidation of Coal Mine Ventilation Air
Methane”, 12th US/North Ameriacan Mine Ventilation Symposium, 9-11 June, (2008)
Reno, Nevada, USA.
Ruixiang, L., Yongqi, L. and Zhengqiang, G., 2008, “Methane Emission Control by
Thermal Oxidation in a Reverse Flow Reactor” Bioinformatics and Biomedical
Engineering, ICBBE, Erişim 22 Mayıs 2009.
Xianzhao, H., Ma, Peijong., Yu, Y. Et al.(2008), “The Ventilation Air Methane
Combustion System and Its Clean Development Mechanisms Analysis”, Available from:
http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4535384&isnumber=4534880a
ccessed from May 2009.
Kosmack, A. D., “Capture and Use of Mine Ventilation Air Methane”, 2nd Annual
Conference on Carbon Sequestration, May 5-8, Virginia (2003).
Marin, P., Ordonez, S. and Diez, F., “Procedures for Heat Recovery in the Catalytic
Combustion of Lean Methane-air Mixtures in a Reverse Flow Reactor”, Chemical
Engineering Journal, 147, 356-365, 2009.
Gosiewski, K., Matros, Y.S., Warmuzinski, K. et al., “Homogeneous vs. Catalytic
Combustion of Lean Methane-Air Mixtures in Reverse-Flow Reactors”, Chemical
Engineering Science, 63, 5010-5019, 2008.
Hristo, S. and Gilles, J., “Introduction of Catalytic Flow-Reversal Reactor Technology
and Its Potential in China Coal Mines”, 3rd International Methane and Nitrous Oxide
Mitigation Conference, Beijing (2003) China.
Sapoundjiev, H. ve Aube, F., 1999, “Catalytic Flow Reversal Reactor Technology: An
Opportunity for Heat Recovery and Greenhouse Gas Elimination from Mine Ventilation
Air”,
Available
from:
http://canmetenergy-canmetenergie.nrcanrncan.gc.ca/fichier.php/codectec/Fr/1999-51/1999-51e.pdf, accessed June 2009.
Sapoundjiev, H., Aube, F. ve Trottier, R., 1999, “Eimination of Dilute Methane Emissions
from Underground Mine and Oil and Natural Gas Production Sectors”, Available from:
http://canmetenergy-canmetenergie.nrcan-rncan.gc.ca/fichier.php/codectec/En/199913/1999-13e.pdf, accessed July 2009.
Climino, S., Pirone, R. and Russo, G., “Thermal Stability of Perpvskite-based Monolitic
Reactors in the Catalytic Combustion of Methane”, Ind. Chem. Res., 40, 80-85, 2001.
US EPA, 2003b, “Coalbed Methane Extra, A publication of the Coalbed Methane
Outreach Program”, EPA-430-N-00-04, July.
Su, S. ve Beath A.C., “Development of Ventilation Air Methane Catalytic Combustion
Gas Turbine”, 3rd International Methane and Nitrous Oxide Mitigation Conference,
Beijing, 17-21 November, (2003) China.
65
SİGMA MÜHENDİSLİK VE FEN BİLİMLERİ DERGİSİNDE
YAYINLANACAK YAZILARDA ARANILAN ÖZELLİKLER
GENEL BİLGİLER
Sigma Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, yeterli sayıda makalenin bulunması
durumunda Mart, Haziran, Eylül, Aralık aylarında yayınlanır.
1.
Sigma Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi temel ve uygulamalı bilim dallarındaki
çalışmaları kısa sürede yayınlayarak ilgili bilim dalları arasındaki iletişimi sağlamak
amacıyla aşağıdaki yazı türlerini kabul etmektedir.
1.
Araştırma Makaleleri: Orjinal bir araştırmayı bulgu ve sonuçlarıyla yansıtan
makaleler,
2.
Derleme Yazıları: Yeterli sayıda bilimsel makaleyi tarayarak (en az son on yılın konu
ile ilgili bütün önemli yayınları ) konuyu bugünkü bilgi düzeyinde özetleyen, bulguları
karşılaştıran ve değerlendirme yapan geniş bir kaynak listesine sahip yazılar. Derleme
yazılarında on sayfa sınırlaması yoktur.
3.
Kısa Bildiriler: Orjinal bir çalışmanın sonuçlarını zaman kaybetmeden bildiren veya
Sigma'da daha önce yayınlanmış bir eser hakkında görüş öne süren kısa yazılar,
4.
Bilim Haberleri:
i ) Kongre, konferans, sempozyum vb. hakkında kısa bilgi veren yazılar,
ii ) Türkiye ve Dünyada önemli olaylar hakkında bilimsel açıklama yapan yazılar,
iii ) İlk defa uygulamaya konulan araç ve gereçler hakkında bilgi veren yazılar,
iv ) Yeni yayınlanmış olan bilimsel kitapları tanıtan yazılar,
2.
Sigma Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi'nde makaleler Türkçe ve İngilizce olarak
yayınlanır. Türkçe makalelerinizde Türk Dil Kurumu’nun hazırladığı Büyük Türkçe
Sözlük’te yer alan sözcükler kullanılmalıdır. (www.tdk.gov.tr)
3.
Eserler Sigma yazım kurallarına uygun olarak düzenlenip, 4 kopya, disket (veya CD),
olarak İnternet sayfamızdaki “Makale Sunum Formu” ile birlikte “Sigma Mühendislik ve
Fen Bilimleri Dergisi Editörlüğü, 34349 Yıldız-İstanbul” veya “[email protected]”
adresine gönderilmelidir.
4.
Yazılar mümkün olduğunca kısa ve yalın bir dille yazılmış olmalı, çizelge ve şekillerle
birlikte 10 sayfayı geçmemelidir.
5.
Gönderilen eserlerin içeriği ve aşağıdaki yazılım kurallarına uygun olup olmadıkları,
editörce belirlenen konu ile ilgili hakemler tarafından kontrol edilir. Önerilen düzeltmeler
yapılmış veya karşı görüşleri editör tarafından onaylanmış yazılar yayına kabul edilir.
6.
Makalenin Sigma Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi’ne sunulması ile yazar, makalenin
daha önce başka bir dergide herhangi bir dilde yayınlanmamış, yeni bir çalışma olduğunu
kabul etmiş olur. Yazıların tüm sorumluluğu yazara aittir.
7.
Yayına kabul edilmeyen yazılar yazara iade edilir.
VII
SİGMA YAZIM KURALLARI
1.
Yazılacak eserlerde metin alanı E12.5x19 cm olmalı, normal sayfalarda yukarıdan 5 cm,
soldan 4.25 cm, ilk sayfalarda ise yukarıdan 7 cm boşluk bırakılmalıdır.
2.
Metinde "Microsoft Word" yazım programının "Times New Roman" yazı karakteri
kullanılmalıdır. Kullanılacak harf büyüklükleri ve özellikleri örnekte belirtilmiştir.
3.
Eserin çıkışı Lazer yazıcıdan 1.hamur A4 büyüklüğündeki (210x297 mm) beyaz
kağıda alınmalıdır.
4.
Dizgi yapılırken satır araları değiştirilmemeli, satırlar birer ara ile yazılmalıdır.
5.
Şekil ve çizelgeler numaralandırılmalı ve adlandırılmalıdır. Şekil adları şekil altına,
çizelge adları ise çizelgelerin üstüne yazılmalıdır.
6.
Makalenin genel görünümü aşağıdaki şekildedir.
1. BAŞLIK: Metne uygun, kısa ve açık olmalıdır.
2. YAZAR: İsimleri ve adresleri aşağıdaki örnekte olduğu gibi yazılmalıdır. Birden
fazla yazar varsa ve adresleri farklı ise adresler (*) kullanılarak belirtilmelidir.
Çetin TAŞSEVEN*, Ramiz GAMİDOV**
*Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü
Davutpaşa - İstanbul
**TÜBİTAK, UME
3. ÖZET: Herbiri 250 kelimeyi geçmeyecek şekilde önce İngilizce başlık ve özet sonra
Türkçe başlık ve özet şeklinde yazılmalıdır. Özetten sonra Anahtar Sözcükler
yazılmalı, Abstract’tan sonra da Keywords’un yazılması gerekmektedir.
4. GİRİŞ: Giriş bölümünde amacı, o güne kadar konu ile ilgili olarak yapılmış belli
başlı çalışmalar ve çalışmanın getirdiği yenilik belirtilmelidir.
5. KONU BAŞLIKLARI: 1. GİRİŞ (veya INTRODUCTION) 2. SONUÇLAR
numaralandırılmalıdır. KAYNAKLAR
(veya RESULTS)
... şeklinde
(REFERANSLAR) için ayrı bir numara vermeye gerek yoktur.
6. EŞİTLİKLER: Sırayla (1) numaralandırılmalıdır. Numara eşitliğin bulunduğu
satırın en sonunda yer almalıdır.
7. KURAMSAL ÇÖZÜMLEME: Bu bölümde gerekli olduğu takdirde, çalışmaya
esas teşkil eden kuramsal bilgiler açıklanmalıdır.
8. DENEYSEL ÇALIŞMA: Yapılan çalışmada kullanılan maddeler, cihazlar veya
düzenek, deneysel yöntem, deneyle ve işlemler bir biçimde verilmelidir. Eser,
kuramsal bir çalışma ile ilgili ise bu bölümün adı HESAPLAMALAR olarak
değiştirilebilir. Hesaplamalarda kullanılan değerler, yöntem, varsa yapılan kabuller
açıkça anlatılmalıdır.
VIII
9. SONUÇLAR VE TARTIŞMA: Bu bölüm ayrı ayrı veya birlikte yazılabilir. Bu
kısımda, yazar gözlemlerinin, ölçümlerinin veya hesaplama sonuçlarının
güvenirliğini tartışmalı, çalışmalarının "Giriş" bölümünde belirtilen bilimsel amaca
katkısını belirtmelidir.
10. TEŞEKKÜR: Mümkün olduğu kadar kısa olmalıdır.
11. KAYNAKLAR: Makalenin bu bölümünde 4. ve 5. Bölümlerde atıfta bulunulmuş
konu ile ilgili araştırma makalelerine yer verilmelidir. Kaynaklar eserin başından
itibaren sıra ile numaralanarak köşeli [ ] parantez içinde belirtilmelidir. Üçten fazla
yazarlarda baştan üç isim alınıp, diğer isimler için Türkçe yayınlarda "ve diğerleri ,
"İngilizce yayınlarda "et.al." deyimi eklenmelidir.
Kaynak bir makale ise: Yazarın soyadı, adının baş harfi, makalenin tam başlığı,
derginin adı (veya uluslararası kısaltmaları), cilt numarası, sayı numarası, başlangıç ve
bitiş sayfa numaraları ve yılı yazılmalıdır.
[1] Tschuikow-Roux E.,İnel Y.,Kodama S.,et.al., "Vacuum-Ultraviolet Photolysis of
Carbon Suboxide in the Presence of Methane", j.Chem.Phys., 56,7,3238 3246,1972.
Kaynak bir kitap ise: Yazarın soyadı, adının baş harfi, kitabın adı, basım sayısı,
yayınlayan, yayınlandığı yer, yıl, başlangıç ve bitiş sayfa numaraları yazılmalıdır.
[1] Karadeniz A.A., "Yüksek Matematik", 2 Cilt, 5.Baskı, Çağlayan Kitabevi, İstanbul,
1988, 201-219.
Kaynak Sempozyumdan alınmış bir tebliğ ise: Yazarın soyadı, adının baş harfi,
tebliğin adı, sempozyumun adı, yapıldığı yer, parantez içinde yıl, başlangıç ve bitiş sayfa
numaraları yazılmalıdır.
[1] Atay N.Z., "Interfacial Transport Studies Using a Rotating Diffusion Cell "
NATO Advanced Study Institute on Structure Dynamics of Colloidal Systems,
Aberyswyth, Wales, U.K., Eylül, 1989, 25-32.
Kaynak proje ise: Yazarın soyadı, adının baş harfi, kuruluşun kısaltılmış adı, proje
numarası, yayınladığı yer ve yıl yazılmalıdır.
[1] Doğan I.,İnel Y.,"Sudaki Organik Kirleticilerin İncelenmesi", B.Ü.,Çev. Bil. Ens.,
BÜÇBE 88/010, 1988.
Kaynak basılmış bir tez ise: Yazarın soyadı, adının baş harfi, tezin adı, tezin türü, tezin
sunulduğu kuruluş ve yıl yazılmalıdır.
[1] Soydan B.," Benzindeki Kurşunun Polagrafi ile Kantitatif Tayini ", Yüksek Lisans
Tezi, Kimya Fakültesi, İ.T.Ü., 1979.
Kaynak bir web sayfası ise: Holland, M. (1996) Harvard system [Internet] Poole,
Bournemouth University. Available from:http://... [accessed August 22,2002].
IX
REQUIREMENTS FOR THE ARTICLES TO BE SUBMITTED TO THE
SIGMA
GENERAL INFORMATION
Sigma is published in March, June, September and December.
1.
Aim and scope: Sigma is a medium for the publication of articles on significant
developments in basic and applied sciences. Two referees, specialized on the subject, and
selected by the Board of Editors review the manuscripts submitted. Because of the
interdisciplinary nature of the journal, authors are asked to write their paper in a manner
understandable to their colleagues in other disciplines. Articles under the categories listed
below is accepted to be published:

Research Articles reflects an original experimental and/or theoretical resarch
works. A coherent treatment emphasizing new insight is expected rather than
a simple accumulation of data.

Short Communications are brief reports of significant, original and timely
research results that warrant rapid publication. The length of short
communication is limited to for printed pages.

Review Papers include authoritative reviews of recent advances in the basic
and applied sciences with emphasis on the fundamental aspects of the subject.
Manuscripts are generally of greater length than those found in other
categories but contributions dealing in part with original research are not
excluded. Contributors who may be invited by the editors, or who may submit
outline proposals directly are offered a small royalty upon the publication of
the article.

Science News consists of short informative articles about congress,
conferences and symposiums. Articles commenting on important affairs,
recently introduced tools and equipment recently published research works
are accepted.
2.
Submission: Manuscripts should be sent in quadruplicate to “Sigma Mühendislik ve Fen
Bilimleri Dergisi Editörlüğü, 34349 Yıldız/İstanbul-Turkey”, along with a signed
manuscript submission form.
Manuscripts should be written in Turkish or English and the lenght of the paper is not to
exceed ten pages including charts and figures.
By submitting a paper for publication in Sigma, the authors imply that it represents original
work not previously published elsewhere in any language.
The manuscripts will be returned to the authors in case their paper is not accepted for
publication.
3.
4.
5.
PREPARATION OF CAMERA-READY MANUSCRIPTS
1.
The title, authors names and addresses, and the abstract are to be typed on the first sheet.
The title should be typed in capitals. Leave single space and type the authors names and
addresses on separate lines:
X
Eric VAUTHEY* and W. Quan ZHANG**
* Physical Chemistry Laboratory, Swiss Federal Institute of
Technology, ETH-Zentrum, CH-8092 Zurich, Switzerland
**Departmen of Physics, Zhejiang Institute of Silk Textiles
Hanghou Zhejiang, 310033, China
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
An abstract of not more than 250 words should be provided, summarizing the new
information and the author’s conclusions.
The text is to be typed with regular Times New Roman font on subsequent sheets, singlespace in a single column 12.5 cm wide and 19 cm high, leaving 4.25 cm margins at the left
and 3 cm margins at the top and bottom.
Figures and Tables: Each figure and table must be numbered (e.g. “Figure 1. “and ” Table
I. “) and have a caption. Captions should be placed at the bottom for figures and at the
bottom for tables.
The title should be brief and such that it conveys to the informed reader the particular nature
of the contents of the paper.
Displayed formulae should be typed and numbered, full right (e.g., ... (1) ).
Special attention should be paid to clarity in the introduction and the conclusions.
Main section headings and subheadings are optional. Main headings should be typed
centered on the column, capitalizing the first letter of all main words. Subheadings should
be typed in the same style, full left. Do not underline the headigs and leave a single space
between all headings and the paragraph that precedes and follows them.
The footnotes should be typed at the end of the page on which they are alluded to. Please
do not mix footnotes and references.
The acknowledgemet statement should be separated by a single space from the text. The
word “Acknowledge” statement should be typed fullu left followed by a dhas and then by
the acknowledge statement itself.
References to other papers should be as consecutively numbered in the text and should be
listed by number on a separate sheet at the end of the paper. The references should be as
complete as possible an be presented as follows:
For a book:
[1]
F. Abeles. Optical Properties of Solids. North-Holland, Amsterdam, 1972.
For a paper in a journal:
[1] L. Brus. Quantum crystallites and nonlinear optics. Appl. Phys. A, 53: 465, 1991.
For a thesis:
[1]
G. Mei. Quantum Confinement Effects in II-VI Semiconductor,Nanocrystals. PhD
thesis, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY, 1992.
For a conference report:
[1] M. B. Green, Superstrings and the unification of forces and particles, in: Proc.
Fourth Marcel Grossmann Meeting on General relativity 1986) (Rome, June 1985)
Vol. 1, ed. R. Ruffini (North-Holland, Amsterdam, p. 203.)
XI
A4 (210x297 mm)
53 mm
the frame in which the manuscript will be printed
makalenin yazılacağı alan
Font: Times New Roman
42 mm
20 mm
First page only, no space left on the other pages
(yalnız ilk sayfada, diğer sayfalarda boşluk yok)
42 mm
JUST IN TIME PRODUCTION SYSTEM ( 10 Punto bold)
two line space
iki satır boşluk
A. Fuat GÜNERİ, Hayri BARAÇLI (10 Punto bold)
one line space
(bir satır boşluk)
Yıldız Teknik Üniversitesi, Makine Fakültesi, Endüstri Müh. Bölümü,
Yıldız-İSTANBUL
(8 punto italic)
one line space
(bir satır boşluk)
Geliş/Received: 01.12.1998 (8 punto bold)
190 mm
TAM ZAMANINDA ÜRETİM SİSTEMİ (8 punto bold)
ABSTRACT
(8 punto bold)
8 punto
Anahtar Sözcükler: (Keywords) (8 punto)
ÖZET (Abstract in Turkish) (8 punto bold)
8 punto
Keywords:
1. GİRİŞ
(8 punto)
(9 punto bold)
9 punto
125 mm
53 mm
XII
SIGMA
MÜHENDİSLİK VE FEN BİLİMLERİ DERGİSİ
JOURNAL OF ENGINEERING AND NATURAL SCIENCES
Makale Teslim Formu
Manuscript Submission Form
Makaleyi teslim eden yazar : ____________________________________________________
Corresponding Author
Makalenin başlığı
: ________________________________________________________
_________________________________________________________
_________________________________________________________
Makalenin ilgili olduğu anabilim dalı: _____________________________________________
Title
Research field of the submitted work
Makale ile ilgili anahtar sözcükler ve kodlar (En fazla 3 tane) : ________________________
Keywords
(http://www.yok.gov.tr/uak/sinav/asvk.pdf)
Güncelleşmiş Uluslararası Konu Sınıflandırma Numarası (En fazla 3): _________________
Recent International Subject Classification Scheme (Max 3) ___________________________
Makalenin yazarları
: ________________________________________________________
Complete list of authors
___________________________________________________
___________________________________________________
___________________________________________________
Makalenin türü (Araştırma makalesi, : ____________________________________________
Derleme, Kısa makale)
Category of the manuscript (Research Article,
Review paper, Short communication)
Makale no (Makale teslim alındığında verilecek numara): ____________________________
Manuscript reference number (Assigned upon submission)
Makaleyi teslim eden yazarın,
Corresponding author’s
Çalıştığı kurum (company) : _____________________________________________________
Posta adresi (address)
: ____________________________________________________
e-ileti
(e-mail) : ________________________________________________________
Telefon no; GSM (phone ) : _____________________________________________________
Belgec no
(fax)
: ____________________________________________________
Teslim edilen makalenin sayfa sayısı: _____________________________________________
Number of pages
Makalenin teslim edildiği tarih : ________________________________________________
Submission date
Yazarlar kabul ederler:
bu çalışma, sunulduğu şekli ile veya benzer olarak herhangi bir dilde başka bir dergide basılmamıştır ve
halen başka bir dergide inceleme aşamasında değildir. Makalenin reddedildiği yazılı olarak bildirilmedikçe
başka bir dergiye sunulmayacaktır,
The Authors agree that
the work in its present or a similar form has not been published elsewhere and is not currently under
consideration for another publication in any language. It will not be resubmitted elsewhere unless or until it
has been officially rejected by Sigma
Makaleyi teslim eden yazarın imzası: _____________________________________________
Signature of the corresponding author
Forma ulaşmak için:
http://www.sigma.yildiz.edu.tr/sunumformu.rtf
To obtain form
Makalenin konusu ile ilgili önereceğiniz yazarlar ile teması olmayan hakemler:
Suggested referees who are not in contact with the authors related to the subject of the submitted work:
XIII